摘 要: 简要介绍了基于CompactPCI总线的插拔" title="插拔">插拔" title="热插拔" title="热插拔">热插拔">热插拔通用运动控制卡" title="运动控制卡">运动控制卡的硬件结构,并对CompactPCI总线接口的硬件设计进行了讨论,提出了电气措施和设计要点。
    关键词: 运动控制  CompactPCI总线  PCI9030  热插拔

    近年来,随着嵌入式系统的快速发展及其对硬件可靠性要求的提高,特别是带有多个运动控制卡的网络运动控制系统的发展,对运动控制卡提出了新的要求。运动控制卡应具有带热插拔功能的CompactPCI总线接口。在这样的运动控制系统中,采用可靠性高的嵌入式系统软件,上位机只需对被控对象实施总体的控制和管理;而位置反馈信号的采集、闭环控制的计算及控制量的输出则均可由以DSP为核心的运动控制卡完成,极大地提高了运算速度和控制响应速度。通过带热插拔功能的CompactPCI总线接口的上下机联接,使系统具有更高的可靠性和带电更换故障板卡的能力。
1 CompactPCI接口总线概述
    CompactPCI接口总线定义了更加坚固耐用的PCI版本。在电气、逻辑和软件方面,它与PCI标准完全兼容。CompactPCI接口卡安装在支架上,并使用标准的Eurocard外型。CompactPCI虽然与标准PCI属同一标准,二者还是有很大的不同。Compact PCI相对PCI来讲具有很多优点:(1)具有更好的机械特性。它增强了PCI系统在电信或其它条件恶劣的工业环境中的可维护性和可靠性。(2)采用Eurocard封装,系统中气流均匀。(3)CompactPCI连接器的电源和信号引线支持热插拔规范,这对于容错系统是非常重要的,也是标准PCI所不能实现的功能。(4)总线易于扩展,可同时支持多达256个标准的PCI总线设备。(5)CompactPCI背板的连接器插针分为长针、中长针和短针。长针是一些电源针,最短的针是BD_SEL#,其它总线信号和部分电源信号是中长针。连接器插槽J1插孔有长针插孔、中长针和短针插孔,而J2插槽都是中长针插孔。
2 系统的硬件结构概述
    开放式四轴DSP运动控制卡经12位DAC驱动四个伺服电机,并通过CompactPCI总线背板连接器与主机通信。其中DSP处理器与CompactPCI接口采用PLX公司的PCI9030接口芯片使之和双口RAM缓冲区进行通信。
    PCI9030是业界首个支持热交换的PCI目标接口芯片,为CompactPCI接口提供了优秀的解决方案。它采用SMARTarget技术,可以保证高性能的热交换实施功能,可以支持具有热交换功能的PICMG2.1目标设备,并且符合PCIv2.2规范所规定的32位33MHz目标接口功能,可以获得高达132Mbyte/s的PCI突发传输速度,局部总线操作速度最高可达60MHz,支持5个局部地址空间到PCI总线地址空间的映射(空间0、1、2、3、4以及1个扩展的ROM),传输等待周期及总线宽度可编程。另外,PCI9030内含预充电BIOS、早期电源支持、热交换控制/状态寄存器(HS_CSR)和附加引脚资源,可利用这些资源以及ENUM#输出信号、弹出开关和表示用户插入/取出状态的LED灯实现运动控制板卡的带电热插拔的软硬件控制。
    其硬件结构框图如图1所示。该系统由以下几部分组成:

3.1 PCI9030芯片热插拔控制信号的作用
    在Compact PCI规范中规定:(1)板卡插入后,硬件初始化过程中应点亮蓝灯;(2)板卡即将拔出,软件能获知板卡即将拔出,并做好善后工作后,点亮蓝灯。
    PCI9030芯片有BD_SEL#输入信号引脚、ENUM#输出信号引脚、CPCISW输入信号引脚和LEDON#输出信号引脚,均用作CompactPCI接口热插拔控制信号。其功能分别如下:
    PCI9030的BD_SEL#输入信号引脚同运动控制卡CompactPCI接口的引脚BD_SEL#相连,当BD_SEL#信号变高时,使PCI9030输出引脚成高阻态,保护芯片。PCI9030的ENUM#信号是送到背板的带上拉的集电极开路信号;它通知背板主机CPU板卡是刚刚插入,还是即将拔出。并通知CPU系统配置改变,使CPU同时执行相关必要的软件操作(在板卡安装时,安装设备驱动程序;在移出板卡前,卸载设备驱动程序)。板卡的插入/拔出状态是由CPCISW信号送到PCI9030完成的,这时,PCI9030通过ENUM#信号通知背板主机硬件配置改变情况,同时主机CPU执行相关必要的软件操作。当操作结束时,主机CPU通过PCI9030将CPCISW信号写入HS_CSR寄存器的相应位中,使LEDON#信号变化,点亮或熄灭蓝灯,通知板卡可安全取出或已安全插入。另外,PCI9030将板卡插入/拔出的状态(即CPCISW信号)写入HS_CSR寄存器的相应位中,软件可以通过这些位来查询板卡插入/拔出状态,使软件可采取各种切换措施,也可以通过向寄存器的相应位写1来清除该位。
3.2 热插拔电源电路的原理设计
3.2.1 热插拔电源管理器的确定
    热插拔电源电路需在插拔过程中和正常工作时,对CompactPCI接口板" title="接口板">接口板电源进行监控,按一定的速率及时地上电和断电,把该电源的情况及时通知背板系统以便通过软件进行处理;同时需对CompactPCI接口板的总线信号提供预充电电压,使CompactPCI接插件的插针点的预充电电压达到1V,保证CompactPCI接口板在插拔过程中,对CompactPCI总线的冲击很小;另外需对背板的PCI_RST信号和CompactPCI 接口板的电源好坏情况进行逻辑处理来产生该接口板上的LOCAL_PCI_RST信号。为此,热插拔电源电路采用了芯片LTC1646作为CompactPCI热插拔电源管理器。它能够使线路板在运行中的CompactPCI总线插槽内安全地插入和拔出。两个外部N沟道通路晶体管IRF7413控制3.3V和5V电源,使电源能在电流限制或可设置速率上电。电子电路断路器可保护两组电源不受过流故障情况的损害。
3.2.2  LTC1646芯片的主要引脚功能
    ·LTC1646的3.3V和5V输入主要来自中等长度的电源插针。3.3V和5V连接器长插针在CompactPCI插卡上与中等长度的3.3V和5V电源插针短接在一起,为LTC1646的预充电电路、VI/O上拉电阻和PCI9030芯片提供初期电源。
    CompactPCI背板的连接器插针中有引脚BD_SEL#、HEALTHY#用于热插拔电源电路。
    ·芯片PWRGD#信号引脚输出指示何时所有电源电压都在容许范围内,连接于PWRGD#引脚的HEALTHY#信号把板卡电源情况通知背板主机,当HEALTHY#信号变高时,说明板卡电源情况出了问题。
    ·芯片OFF/ON#输入信号引脚连接于板卡的BD_SEL#引脚,用来控制开关板卡电源或将电源断路器复位。而BD_SEL#信号应通过1.2kΩ电阻上拉至PCI9030的I/O工作电压VI/O。
    ·芯片PRECHARGE引脚用于产生1V的预充电电压。可在板卡插拔过程中对总线I/O引脚施加偏置。板卡上需要进行预充电的CompactPCI总线引脚(即接插件J1、J2与CompactPCI接口器件PCI9030连接的引脚)包括:AD0～AD31、C/BE0#～C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#。LTC1646产生的预充电信号经过较大的10kΩ电阻上拉至预充电电压(PRECHARGE OUT)。而BD_SEL#、ENUM#、INTA#信号应上拉至PCI9030的I/O工作电压VI/O。
    ·芯片的RESETIN#引脚输入信号PCI_RST#,在片内与HEALTHY#信号进行逻辑结合,从而在引脚RESETOUT#生成LOCAL_PCI_RST#信号送到PCI9030芯片的PCI_RST#信号引脚,用来在任一组电源超出范围时对板卡和芯片PCI9030进行复位。
3.2.3 在LTC1646芯片控制下CompactPCI接口板的上电顺序
    当插卡插入时,长3.3V和5V连接器插针以及长GND插针首先接触。LTC1646预充电电路在插入阶段将总线I/O插针偏置为1V。3.3V和5V中等长度的电源插针在插入的下一个阶段接触,但只要OFF/ON#引脚被1.2kΩ上拉电阻拉到VI/O,线路板电源则被关断。在线路板插入的最后阶段,BD_SEL#短连接器插针开始接触,OFF/ON#引脚被拉低。这使得通路晶体管导通,并且在内部有一个5μA电流源与TIMER引脚连接。时每个通路晶体管的电流开始增加,直至增加到各自的电流限值;然后,3.3V和5V电源被允许按一定的速率上电,一旦两组电压都在容差范围之内,HEALTHY#将拉低,LOCAL_PCI_RST#可自由跟随PCI_RST#。
3.2.4 在LTC1646芯片控制下CompactPCI接口板的断电顺序
    当BD_SEL#被拉高时则开始一个断电过程。LTC1646内部开关被连接于每个输出电源电压引脚,使旁路电容器向地放电。TIMER引脚立即被拉低。GATE引脚被一个200?滋A的电流源拉低,以防止3.3V和5V电源上的负载电流同时变为零从而对电源电压造成干扰。当任一输出电压跌落在门限以下时,HEALTHY#引脚被拉高,LOCAL_PCI_RST#将被确定为低。
    一旦断电过程完成,插卡就可以从插槽内取出。在拔出期间,预充电电路继续将总线I/O插针偏置为1V?熏直到5V和3.3V长连接器插针分开。
3.3 CompactPCI接口设计的其它电气措施
    ·热插拔板卡在带电拔插过程中,为了保护板卡免遭静电损坏,必须进行静电放电。所以,必须在板卡上设计放电条。
    ·为了减小板卡上的CompactPCI总线的信号线分支对总线的影响,必须对CompactPCI总线信号进行串联电阻匹配。需要加串联匹配电阻的引脚包括:AD0～AD31、C/BE0#～C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#以及INTA#。根据CompactPCI规范,对CompactPCI的信号线长度和到预充电电阻的分支线的长度必须进行限制(PCB的布线特征阻抗应设计为65Ω±10%)。线的长度越短,对CompactPCI总线的冲击越小。在CompactPCI接口板上,对于预充电的信号,从接插件J1或J2到PCI9030器件管脚,总的信号线长度应小于38.1mm。其中,从接插件插针到串联电阻的PCB连线长度应小于15.2mm,预充电电阻的分支长度最好是零,最长不能超过2.5mm。
    ·为了减少插拔过程中由电容产生的浪涌电流并避免接插件烧损,必须限制滤波电容总量。
    位置数控板卡的CompactPCI接口的设计是网络运动控制系统发展的必然要求,通过带热插拔的CompactPCI接口总线的上下机联接,使网络运动控制系统具有更高的可靠性和带电更换故障板卡的能力。
参考文献
1 刘和平.TMS320LF240X DSP结构,原理及应用. 北京:北京航空航天大学出版社,2002
2 PCI9030  DataBook Version1.3. PLX Technology Inc, January 2002
3 LTC1646  DataBook.Linear Technology Inc,2000