基于AT96總線的熱插拔設(shè)計(jì)

伍巧鳳，孫詩(shī)炎，王明星，賀 理，李 昱

（核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

熱插拔即帶電插拔，熱插拔功能就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)，不切斷電源的情況下取出和更換損壞的硬盤、電源或板卡等部件，從而提高了系統(tǒng)對(duì)故障的及時(shí)恢復(fù)能力、擴(kuò)展性和靈活性等。數(shù)字化儀控平臺(tái)[1]采用AT96總線為ISA總線的兼容協(xié)議，不支持熱插拔功能[2]，并且設(shè)備熱插拔初期會(huì)產(chǎn)生非常大的瞬態(tài)電流，對(duì)電源產(chǎn)生干擾，干擾的存在會(huì)使負(fù)載降低。因此，需要采用專門的熱插拔設(shè)計(jì)，讓熱插拔后系統(tǒng)能及時(shí)復(fù)位[3]。系統(tǒng)從熱插拔對(duì)供電的影響出發(fā)，在基于AT96總線的基礎(chǔ)上提出了一種可靠性的熱插拔設(shè)計(jì)方案，有效地解決了熱插拔瞬間沖擊和振蕩問(wèn)題。

1 功能單元熱插拔對(duì)系統(tǒng)供電的影響

功能單元在熱插拔上電時(shí)對(duì)系統(tǒng)供電的影響主要包括以下兩點(diǎn)：

1）在熱插拔時(shí)，連接器的機(jī)械觸點(diǎn)在接觸瞬間會(huì)出現(xiàn)彈跳，引起電源振蕩。如圖1所示。

這個(gè)振蕩過(guò)程會(huì)引起系統(tǒng)電源跌落，引起誤碼或系統(tǒng)重啟，也可能會(huì)引起連接器打火，引發(fā)火災(zāi)。

解決的辦法就是延遲連接器的通電時(shí)間，在連接器抖動(dòng)的那十幾毫秒內(nèi)（t1～t2）不給連接器通電，等插入穩(wěn)定后（t2后）再通電，即防抖動(dòng)延時(shí)。

圖1 上電電流振蕩圖Fig.1 Power-on current oscillation diagram

圖2 上電沖擊電流圖Fig.2 Power-on impact current diagram

圖3 IO功能單元的AT96接插件針結(jié)構(gòu)圖Fig.3 AT96 connector needle structure diagram of IO function unit

2）熱插拔時(shí)，由于系統(tǒng)大容量?jī)?chǔ)能電容的充電效應(yīng)，系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)很大的沖擊電流，電容在充電時(shí)，電流呈指數(shù)趨勢(shì)下降，如圖2所示。所以在剛開始充電的時(shí)候，其沖擊電流是非常大的。

此沖擊電流可能會(huì)燒毀設(shè)備電源保險(xiǎn)管，所以在熱插拔時(shí)必須對(duì)沖擊電流進(jìn)行控制，使其按理想的趨勢(shì)變化，如圖2右側(cè)所示，圖中0～t1為電源緩啟動(dòng)時(shí)間。

綜上所述，熱插拔電路必須考慮防抖動(dòng)延時(shí)上電和控制輸入電流上升斜率，采用緩啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

2 熱插拔技術(shù)方案

2.1 定制的AT96接插件

IO功能單元通過(guò)接插件與背板相連，從而實(shí)現(xiàn)與控制器的數(shù)據(jù)交互。IO功能單元的熱插拔設(shè)計(jì)采用定制的AT96接插件，即長(zhǎng)短針設(shè)計(jì)，不同的功能采用不同的針設(shè)計(jì)。該定制接插件針結(jié)構(gòu)分為3種長(zhǎng)度，長(zhǎng)針為電源針，正常長(zhǎng)度為信號(hào)針，短針為熱插拔的KEY針，其示意圖如圖3所示[4]。

長(zhǎng)針為電源針，可以確保插件在插入時(shí)，優(yōu)先接入電源信號(hào)，在插件拔出時(shí)，最后斷開電源信號(hào)。正常長(zhǎng)度的針為AT96總線的其他信號(hào)使用，短針是熱插拔的Key信號(hào)針，該管腳在功能單元上為上拉信號(hào)，在背板上為對(duì)地短路，在板卡剛插入時(shí)，雖然電源和信號(hào)針都已經(jīng)插入背板上時(shí)，由于該管腳最短，還未接入。因此，為高電平，Key信號(hào)依然保持電路板接口信號(hào)為三態(tài)信號(hào)模式；當(dāng)該管腳被接入背板后，Key信號(hào)為低電平，此時(shí)板卡才開始啟動(dòng)MCU復(fù)位信號(hào)，進(jìn)入功能單元上電和工作狀態(tài)。

在功能單元拔出時(shí)，由于KEY信號(hào)針最短，在其他信號(hào)還正常的情況下，Key信號(hào)已經(jīng)轉(zhuǎn)為高電平。因此，該板卡已經(jīng)知道一個(gè)拔出操作開始了，故根據(jù)功能單元功能要求，做好掉電拔出的信號(hào)處理工作（該工作需要在較短時(shí)間之內(nèi)完成，可能拔出時(shí)間只有10ms左右），將所有總線IO口切換為三態(tài)模式，同時(shí)降低板卡電源開銷，以減少拔出時(shí)對(duì)總線沖擊。

2.2 限流保護(hù)和延遲斜率上電

由上節(jié)可知，功能單元在上電時(shí)，會(huì)對(duì)總線產(chǎn)生電源沖擊，有可能導(dǎo)致總線訪問(wèn)錯(cuò)誤，甚至整個(gè)總線電源保護(hù)停電。因此，上電控制電路是非常重要的一個(gè)電路，該電路負(fù)責(zé)控制上電的斜率，從而減少對(duì)總線電源的沖擊，以避免總線受到?jīng)_擊而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

圖4中為一個(gè)電源二級(jí)防護(hù)電路，一級(jí)防護(hù)電路主要靠氣體放電管抑制電壓，當(dāng)兩極間電壓足夠大時(shí)，極間間隙將放電擊穿，由原來(lái)的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，類似短路，通路狀態(tài)下兩極間維持的電壓很低。因此，可以起到保護(hù)后級(jí)電路的效果，而二級(jí)防護(hù)電路主要依靠SMAJ5.0CA起保護(hù)作用，能有效地保護(hù)后級(jí)電路，F(xiàn)A1和FA2為1.5A自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，可以達(dá)到限流保護(hù)的作用，防止過(guò)流對(duì)板卡進(jìn)行的損壞。該電路可有效地降低熱插拔過(guò)程中，浪涌電流對(duì)電路造成的影響。

圖4 二級(jí)防護(hù)電路Fig.4 2 Level protection circuit

圖5 斜率上電電路Fig.5 Slope power circuit

圖6 上電時(shí)序控制圖Fig.6 Power-on timing control diagram

在防雷防浪涌電路后端，設(shè)計(jì)斜率上電電路，通過(guò)MIC2505電路控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的斜率控制，其電路圖如圖5所示。MIC2505具有電流限制和熱關(guān)斷功能，其輸入電壓在2.7V～7.5V之間，其上電時(shí)間由電容CA29的容值決定，其電容值與上電時(shí)間成正比。由此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)CA29的電容容值大小，從而控制電源的上電時(shí)間，減少熱插拔的影響。

2.3 上電時(shí)序

如果平臺(tái)中所有功能單元均插好的情況下上電，雖然每個(gè)功能單元都有斜率上電控制，但由于功能單元太多，如果同時(shí)上電，依然會(huì)對(duì)電源沖擊過(guò)大，造成故障甚至引起設(shè)備損壞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要控制各個(gè)功能單元的上電時(shí)序，使其錯(cuò)開，以降低對(duì)電源的沖擊造成的不良影響。

圖6為上電時(shí)序控制圖，從圖中可知，功能單的基礎(chǔ)電源部分為5V和3.3V，其中5V從外部引入，在其基礎(chǔ)上增加了一個(gè)斜率上電控制電路，其后通過(guò)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換成3.3V供內(nèi)部數(shù)字電路使用。

當(dāng)功能單元插入上電，或系統(tǒng)開機(jī)上電時(shí)，斜率上電控制電路將控制上電斜率，以降低電流開銷。上電結(jié)束后，所有的3.3V和5V電源均已完成上電。需要指出的是，雖然3.3V和5V電源均已完成上電，但各個(gè)器件依然受到CPLD邏輯控制，MCU此時(shí)依然處于復(fù)位狀態(tài)，各個(gè)相關(guān)IC通過(guò)使能控制，其也依然處于高阻的不工作狀態(tài)。因此，此時(shí)的上電電流實(shí)際上是比較小的，各個(gè)插槽的所有功能單元一起上電，其電流沖擊也依然較小，不會(huì)對(duì)電源造成很大沖擊。為了各個(gè)板卡自然錯(cuò)開上電，設(shè)定一個(gè)固定延遲時(shí)間。因此，各個(gè)板卡將自動(dòng)錯(cuò)開上電時(shí)間。

延遲時(shí)間到后，CPLD控制電路將依次打開MCU的復(fù)位信號(hào)，各個(gè)IC的使能信號(hào)，以及其他電源的上電控制信號(hào)，完成功能單元的實(shí)際上電。其中部分接口IC的使能信號(hào)，還受到MCU的軟件控制，MCU在完成自檢后，方才發(fā)送允許信號(hào)給CPLD，這些接口IC才能被允許使能工作。

3 結(jié)論

系統(tǒng)根據(jù)AT96總線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種合理、可靠的熱插拔設(shè)計(jì)方案，使得基于AT96總線的數(shù)字化儀控平臺(tái)具備快速恢復(fù)能力和較好的擴(kuò)展能力。該方案采用定制AT96接插件，通過(guò)長(zhǎng)短針設(shè)計(jì)，使得功能單元在插入或拔出時(shí)，各種信號(hào)可分時(shí)加載；通過(guò)二級(jí)防護(hù)電路、斜率上電電路和上電時(shí)序控制系統(tǒng)上電時(shí)間，消除浪涌對(duì)供電系統(tǒng)的影響，使得功能單元能夠在帶電的背板上安全插拔。