CN101963949B - 热插拔实现方法、热插拔系统及板卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热插拔实现方法、热插拔系统及板卡，该板卡包括：预充电模块，插入时通过长针先和背板连接，将总线电压拉升至设定的预充电电压，拔出时在总线电压下降至预充电电压后与背板断开连接；总线，通过中针，插入时在自身电压上拉至预充电电压后与背板连接，板卡上电；拔出时，在板卡上的各元器件复位后与背板断开连接；逻辑器件，插入时，在总线与背板连接后，检测到短针插入完成时，解除对板卡上的元器件的复位状态设定；拔出时，检测到板卡与背板的连接的短针断开时，复位板卡上的各元器件。通过预充电模块在总线连接或断开的过程中维持预充电电压，减小插拔过程中的电流和电压冲击，提高板卡的可靠性。

Description

热插拔实现方法、热插拔系统及板卡

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，尤指一种热插拔实现方法、热插拔系统及板卡。 

背景技术

热插拔是设备出现硬件故障时，对出现故障的硬件设备进行维修或者更换经常需要的操作，尤其是当设备发生硬件故障，且整机设备位于核心网络中，不能将整个设备下电后再取出故障设备时，能够对发生故障的硬件进行热插拔是很必要的。 

目前比较通用的机箱式设备，都是通过背板给各个板卡提供直流电源，一般为12V或者48V，当新的板卡热插入的时候，新插入的板卡上面的电源输入端都存在一个较大的电容。如图1所示，即为总线型连接的板卡的电容效应示意图。由于电容电压不能突变，即在进行热插拔的接触瞬间电容上面的电压保持为0，会造成背板的总线电源的电压出现非常大的跌落，从而会影响正在工作的板卡电源电压不稳定，导致系统异常。 

而连接背板和各个板卡的信号线也存在相同的问题，即无论是专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)还是其他逻辑器件，在其输出管脚也都会存在一个输出电容。如图2所示，即为ASIC或其他逻辑器件连接到背板时，其输出端的等效电容(信号线连接造成的)示意图。当热插拔发生时，仍然相当于在正常信号线上面并接了一个电容，而对电容充电需要消耗一定的电流，从而影响信号线上面的电平幅值，导致正在工作的板卡上的电平波动，造成板卡上面的逻辑门产生错误的逻辑电平判决。 

也就是说，现有的板卡和背板在进行热插拔时，在板卡热插拔瞬间，由于 电容效应，都会对被拔插系统的电源或者信号电平的幅度造成冲击。为了在热插拔过程中不对整机设备和硬件本身造成破坏，在需要进行热插拔的设备中引入了热插拔保护电路。 

现有的热插拔保护实现方法大致包括电源的缓启动设计、长短针检测、总线信号的开关设计等设计方式。 

为了将电容效应降低到最低的程度而使用的电源缓启动设计，一般是在热插拔的板卡的电源输入端，增加一级缓启动电路设计，使板卡插入时电源电压的跌落不至于导致正在工作的板卡发生异常。这种方式一般应用于业务线卡的热插拔设计。这种业务线卡的热插拔技术相对成熟，通过增加电源的缓启动电路设计减小业务线卡在拔插瞬间对背板电源系统造成的电平跌落；同时，在热插拔业务线卡的信号总线上面增加一个总线开关，当检测到业务线卡完全插入到位后，再打开信号总线开关，通过业务线卡上面的电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)器件保存的线卡类型来加载对应的驱动程序。 

而对于主控板的热插拔技术则相对不太成熟，不同的设备商根据各自设备的应用环境采取对应的设计方法实现。尤其是对于集中式路由器，由于其主板上信号线比较多。例如：外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线的数量多达49根，从成本和印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)布局上面，都不可能采取电源缓启动类似的处理方法，也不大可能采用设置电源总线开关的方式。为了避免热插拔瞬间对系统和信号电平的冲击，在主控板的热插拔设计上，通常通过长短针来控制信号线、电源线、地线等与背板接触的先后时间顺序；将地管脚，电源管脚设计为最长针，将信号管脚设计为最短针，意图使主控板上电、芯片初始化完成芯片输出三态后，信号管脚才和背板接触，从而降低热插拔对系统的影响。 

但上述采用长短针的电路管脚涉及存在下列问题： 

(1)由于各个接口芯片的初始化时间不尽相同，设计无法做到通用性， 硬件的可移植性很差。由于接口芯片的初始化时间不同，导致长短针的设计不能保证在芯片初始化完成后信号管脚才开始接触。例如：一个长短针设计，能够满足使用A公司的接口芯片可以实现接口芯片初始化完成后，信号管脚才开始接触，但是，换成B公司的接口芯片后，可能就会出现接口芯片初始化尚未完成后，信号管脚已经接触，从而导致板卡热插拔的时候，出现系统异常。也就是说，这种方式不能适应不同芯片规格、不同初始化时间等性能参数不同的接口芯片的热插拔需求，其通用性差，缓启动效果不佳。 

(2)缓启动时间不可控制。上述长短针的设计方法目的是在信号线还没有和背板接触之前，芯片完成上电初始化，输出三态。但是热插拔板卡的电源和背板接触到芯片初始化完成，这一缓启动的需要一定的时间，由于对长短针接触的时间间隔内并没有任何的约束关系，因此，在主控板卡热插拔过程中，如果是慢速插入则可以满足缓启动的时间间隔要求中，芯片可以正常启动，不会出现问题；如果快速插入，可能导致热插拔的主控板卡的芯片的上电初始化还没有完成，最短针已经和背板接触，仍然会导致系统异常。也就是说，这种长短针的设计方式，可控性比较差，不能很好的避免热插拔过程中系统电平波动，不能完全避免系统异常出现。 

发明内容

本发明实施例提供一种热插拔实现方法、热插拔系统及板卡，用以解决现有技术中存在长短针的设计方式通用性和可控性差，不能很好的避免热插拔过程中造成的系统异常的问题。 

一种热插拔板卡，包括：预充电模块、总线和与总线连接的逻辑器件； 

所述预充电模块，通过设置的长针，在所述板卡插入背板时先和背板连接，将总线电压拉升至设定的预充电电压；在所述板卡从背板上拔出时维持板卡上的总线电压为设定的预充电电压，在所述总线电压下降至所述预充电电压后与背板断开连接，完成热拔出； 

所述总线，通过设置的中针，在所述板卡插入背板时，在自身电压上拉至所述预充电电压后与背板连接，板卡上电；在所述板卡从背板上拔出时，在板卡上的各元器件复位后，与背板断开连接； 

所述逻辑器件，在所述板卡插入背板时，在所述总线与背板连接后，开始检测板卡与背板的连接情况并保持板卡上的各元器件为复位状态，当检测到设置的短针插入完成时，解除对板卡上的元器件的复位状态设定；在所述板卡从背板上拔出时，检测到板卡与背板的短针连接断开时，复位板卡上的各元器件。一种热插拔系统，包括：背板和至少一个上述的板卡。 

一种热插拔实现方法，包括： 

当所述板卡插入背板时，所述板卡上设置的预充电模块通过设置的长针和背板先连接，将总线电压拉升至设定的预充电电压； 

在电压上拉至所述预充电电压后，所述总线通过设置的中针与背板连接，板卡上电，板卡上的逻辑器件开始检测板卡与背板的连接情况并保持板卡上的各元器件为复位状态； 

当所述逻辑器件检测到设置的短针连接完成时，解除对板卡上的元器件的复位状态设定，板卡开始初始化； 

当所述板卡从背板上拔出时，板卡上的逻辑器件检测到板卡与背板之间的短针连接断开时，复位板卡上的各元器件； 

板卡上的各元器件复位后，所述板卡上的总线与背板之间连接的中针断开，设置的预充电模块维持板卡上的总线电压为设定的预充电电压； 

在所述总线电压下降至所述预充电电压后，所述预充电模块与背板之间连接的长针断开，完成板卡的热拔出。 

本发明有益效果如下： 

本发明实施例提供的热插拔实现方法、热插拔系统及板卡，通过预充电模块在插入过程中先与背板连接对总线进行预充电，将总线电压提升至设定的预充电电压，在断开时，最后断开预充电模块与背板的连接，使总线电压先降低至预充电电压，从而使得在插入和断开时，总线与背板之间不会由于压差造成瞬间电流过大以及电压波动，避免了热插拔过程中对背板以及其他板卡的冲击和影响，减小插拔过程中的电流和电压冲击，提高板卡的可靠性。该设计方式即可适用于主控板也可适用于业务线卡，其通用性强和可控性好，很好的避免热插拔过程中造成的系统异常现象出现。 

附图说明

图1为现有技术中板卡的电容效应示意图； 

图2为现有技术中板卡输出端的电容效应示意图； 

图3为本发明实施例一中热插拔系统的结构示意图； 

图4为本发明实施例一中板卡的结构示意图； 

图5为本发明实施例二中热插拔系统的一种具体结构示例图； 

图6为本发明实施例三中热插入实现方法的流程图； 

图7为本发明实施例三中热拔出实现方法的流程图； 

图8为本发明实施例四中双机备份中板卡的设计原理示意图； 

图9为本发明实施例四中信号检测单元的设计原理示意图。 

具体实施方式

板卡在热插拔过程中，由于电容效应很容易产生信号畸变，对板卡和背板造成冲击。特别是PCI总线等共享总线，信号产生畸变的可能性更大，在板卡热插拔的上、下电的过程中输出不能保证为三态，极有可能会对正在访问背板PCI总线的另外一张板卡造成灾难性的影响。 

类似的，对于集中式路由器、交换机等网络设备，其板卡，尤其是主控板上的其他总线信号，例如：内部集成电路(Inter-Integrated Circuit，IIC)总线信号，以及时钟(CLK)总线信号等，在板卡热插拔的过程中都有可能因其电 容效应而导致信号畸变，对板卡和背板造成冲击，为了避免类似问题的发生，本发明实施例提供一种设置有预充电模块，通过长、中、短等不同长度的接插件插针保证预充电模块先连接后断开的板卡。 

实施例一： 

本发明实施例一提供一种热插拔系统及板卡，该热插拔系统的结构如图3所示，包括至少一个板卡10和背板20。其中板卡10可以实现热插入和热拔出背板20。 

该板卡10可以是主控板卡也可以是业务线卡，该板卡10的结构如图4所示，包括：预充电模块101、总线102和与总线102连接的逻辑器件103。 

预充电模块101，通过设置的长针，在板卡10插入背板20时先和背板20连接，将总线102电压拉升至设定的预充电电压；在板卡10从背板20上拔出时维持板卡10上的总线102电压为设定的预充电电压，在总线102电压下降至预充电电压后与背板断开连接，完成板卡的热拔出。 

总线102，通过设置的中针，在板卡10插入背板20时，在自身电压上拉至预充电电压后与背板20连接，板卡10上电；在板卡10从背板20上拔出时，在板卡10上的各元器件复位后，与背板20断开连接。 

逻辑器件103，在板卡10插入背板20时，在总线102与背板20连接后，开始检测板卡10与背板20的连接情况并保持板卡10上的各元器件为复位状态，当检测到板卡10插入完成(具体是设置的短针插入完成)时，解除对板卡10上的元器件的复位状态设定；在板卡10从背板20上拔出时，检测到板卡10与背板20之间的短针连接开始断开时，复位板卡20上的各元器件。 

也就是说，上述热插拔系统中，通过预先设置的长针、中针和短针控制实现预充电模块101、总线102、逻辑器件103与背板20的连接顺序，长针、中针和短针可以设置在背板20上，也可以设置在板卡10上。具体包括：板卡10上预充电模块101与背板20连接的管脚设置为长针，总线102与背板20连接的管脚设置为中针，逻辑器件103与背板20的连接管脚设置为短针；或背板 20上与板卡10的充电模块101连接的管脚设置为长针，与总线102连接的管脚设置为中针，与逻辑器件103连接管脚设置为短针。 

预充电模块101和背板20之间的连接通过设置的长针实现，设置的长针用于使预充电模块101和背板20在板卡10插入背板20时先连接，板卡10拔出背板20时在总线102电压下降至预充电电压后断开连接。 

上述预充电模块101，具体用于与背板20上或外部的充电电源连接，将获取到的背板20上或外部的电源电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块101连接的总线102上的电压维持为预充电电压。 

优选的，预充电模块，具体与背板上已连接的另一板卡上的电源转换模块连接，即获取背板上已插入的另一板卡上的电源转换模块提供的电压，将获取到的另一板卡上的电源转换模块输出的电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块连接的总线上的电压维持为预充电电压。 

上述通过背板上连接的另一块板卡为自身提供预充电电压的设计方式，在在双机备份系统其效果尤其明显，主备两个主控板，可以交叉设计，不论哪一个主控板先插入，均可以为另一个未插入的主控板的提供充电电源，从而保证在为插入的主控板插入之前，系统中已经存在一个稳定的，与其兼容性比较好的充电电源，进一步提高了其插入过程的安全可靠性。 

总线102与背板20之间的连接通过设置的中针实现，中针用于总线102和背板20在板卡10插入背板20时，在总线102电压上拉至预充电电压后与背板20连接，在板卡10拔出背板时，复位板卡10上的各元器件后，断开总线102与背板20的连接。 

逻辑器件103与背板20之间的连接通过设置的短针实现，逻辑器件103在板卡10插入背板20时，检测到短针完全插入后，确认板卡10插入完成；在板卡10拔出背板20时，检测到短针连接断开时，确认板卡10与背板20的连接开始断开。 

优选的，上述板卡10，还包括：设置在总线102上、和逻辑器件103相连 接的开关器件104。该开关器件104，在板卡10插入背板20时，逻辑器件103检测到板卡10插入完成前，保持关闭状态；在板卡10拔出背板20时，在逻辑器件103检测到检测板卡10与背板20的连接开始断开时改变为关闭状态。 

优选的，上述板卡10，还包括：与背板20连接的电源转换模块105，用于向背板输出电流，在板卡10插入背板20后，将从背板获取的电压转换后，通过背板提供给其他待插入的板卡10的预充电模块101。也就是说，可以通过一个板卡为另一个板卡的预充电模块提供充电电源。 

实施例二： 

本发明实施例二提供一种热插拔系统的具体实现示例及板卡示例，当然本申请中的热插拔系统和板卡不限于本实施例中所列举的结构。该热插拔系统的结构如图5所示，包括至少一个板卡(例如包括两张板卡master和slave)和背板。其中，背板和板卡之间的连接的长针、中针和短针设置在背板上，在板卡上设置对应的插槽。当然，在实际应用中也可以将背板和板卡之间的连接的长针、中针和短针设置在板卡上，背板上设置对应的插槽。 

针对每个板卡，背板上设置有与逻辑器件建立连接的短针至少一个、与总线建立连接的中针、与预充电模块建立连接的长针。当板卡上设置有电源转换模块时，还包括背板与电源转换模块建立连接的中针。 

板卡上的预充电模块，可以采用低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)实现。LDO可与背板上设置的长针连接，如图中所示的3.3VAUX IN，该管脚可以与背板上的充电电源连接，该充电电源由另一个已插入的板卡的电源转换模块提供3.3V电压。LDO将背板上的充电电源提供的电压(3.3V的电压)转化为设定的充电电压(1.2V的电压)，作用于总线，在总线与背板连接前将总线的电压提升至1.2V。 

总线包括IIC、PCI和CLK信号线，总线可以与背板上设置的中针连接，在与背板连接时总线上的电压已经上拉至设定的充电电压(1.2V)，因此总线与背板的压差缩小，在总线与背板接触时，不会产生大的电流和电压冲击。总 线连接后，板卡上的各个元器件已经上电，包括逻辑器件。这时候逻辑器件就可以检测短针是否已经插入了。逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件(complex programming logic device，CPLD)。 

总线上可以设置一个开关器件，该开关器件在短针完全插入之前保持关闭状态，例如：该开关器件可以选用一个型号3384开关器件。具体使用过开关器件的输出使能信号，使用一个设定阻值的电阻(例如4.7K欧的电阻)。 

开关器件也可以是一个逻辑器件，通过预充电模块也可实现对开关器件的等效电容进行预充电，将开关器件上的电压驱动到预充电电压，由于是电源驱动，当板卡插入的时候，总线上面的电平跌落将显著减小。 

逻辑器件(如CPLD)与开关器件相连，在中针连接后，检测短针的插入状态，当短针插入完成时，板卡开始初始化。如图中所示的通过短针输出p_pre_in信号，逻辑器件可以检测该信号确定。其中逻辑器件CPLD可以控制开关器件的输出使能(OE)信号，使开关器件在板卡的热插拔过程中的上电和下电的时候输出三态；而且在板卡插入过程中只要短针没有完全插入，则逻辑器件保持开关处于关闭状态，使总线信号输出三态。在拔出过程中，只要检测到最短针开始和背板脱离，表明一个拔出动作已经开始，则CPLD立即关闭开关器件，以关闭总线信号，由于CPLD反映迅速可靠，在拔出时可以及时处理。 

当设置有电源转换模块时，电源转换模块与背板也是通过中针连接的，这时板卡可以，将从背板获取的电压转换后，通过背板提供给其他后续插入的板卡的预充电模块，作为充电电源。 

较佳的，上述电源转换模块具体包括：缓启动单元、电流变换单元和单向控制单元。 

缓启动单元，与背板上的背板电源连接，在板卡插入背板后，将从背板上的背板电源获取的电压传送给电流变换单元。 

电流变换单元，对缓启动单元提供的电压进行变换，通过电流流向控制单元提供给其他待插入的板卡的预充电模块；具体对缓启动单元提供的背板电源 电压进行变换，通过电流流向控制单元输出电流至背板，作为其他待插入的板卡的预充电模块的充电电源。例如：电流变换单元可以选用一个直流-直流电源变换模块(DC-DC)。 

单向控制单元，用于控制电流流向，使电流变换单元单向向背板提供电压。单项控制单元可以选用二极管等具有电流单相导通功能的电路元件。 

如图5所示，电源转换模块中的缓启动单元与背板上12V(如图5中所示的12V_S)电源连接，并通过DC-DC转换为3.3V的电压通过二极管单向输出给背板(如图5中所示的3.3V_AUX_OUT)，为下边的板卡(例如：slave)提供充电电源。相应的，板卡(例如：slave)也可以为上边的板卡(例如master)提供充电电源，即两块板卡交叉提供充电电源。二极管的单向导通特性可以有效防止插入过程中电流倒灌至DC-DC模块，避免DC-DC模块损坏。 

板卡master的输入(3.3V_AUX_IN)和输出(3.3V_AUX_OUT)通过背板交叉分别与板卡slave的3.3V_AUX_OUT和3.3V_AUX_IN相连接。通过这种交叉设计，确保在一张板卡热插入背板后，可以为另一张板卡提供充电电源。 

也就是说，上述图5所示的系统中，master和slave两张板卡即可以交叉提供充电电源。由于双方都是类似的板卡，因此，其交叉提供充电电源，可行性、可靠性、兼容性都比较好，且由于具有类似的结构，因此交叉设计实现简单、方便，只需在背板上提供连接接口即可。 

优选的，长针与中针的长度差为1.5mm～2mm，中针与短针的长度差为1.5mm～2mm。由于LDO的输出相应时间很短，一般为us级，而长短针的设计能保证在插拔过程中接插件上中针与长针的接触时间差为ms级，根据实际测试，最短的时间间隔在10ms以上；因此，LDO输入到输出的响应时间远小于背板与板卡连接过程中，接插件上长短针的所造成的连接时间间隔。从而可以确保在总线和背板接触之前，预充电模块对总线的预充电完成。 

优选的，上述板卡上还可以设置：滤波单元和信号检测单元(在图5中为给出这两个单元的示意)。用于对后续接入的板卡的信号状态进行检测。 

滤波单元，用于对新插入的板卡的硬件状态信号进行滤波。 

信号检测单元，用于按照设定的周期对滤波处理后的硬件状态信号进行两次采样，当比较确定两次采样得到的状态值相同时，确定采样得到的状态值为初始化完成的板卡的硬件状态信号的状态值。 

较佳的，上述信号检测单元，具体用于：对新插入的板卡的硬件状态信号进行第一次采样后，记录第一次采样的到的第一状态值；以及在设定时间周期到达时，对新插入的板卡的硬件状态信号行第二次采样后，记录第二次采样的到的第二状态值；当比较确定第二状态值与第一状态值相同时，确定采样得到的第一状态值或第二状态值为新插入的板卡的硬件状态信号的状态值。 

实施例三： 

本发明实施例三提供一种热插拔实现方法，主要针对主控板卡的热插拔实现进行设计，但也可以适用于业务线卡。该方法基于上述实施例一的热插拔系统以及板卡实现，包括板卡的热插入实现方法和热拔出实现方法。其中： 

板卡热插入的实现流程如图6所示，执行步骤如下： 

步骤S11：板卡插入背板时，预充电模块和背板先连接，将总线电压拉升至设定的预充电电压。 

在板卡上设置了预充电模块之后，保证预充电模块先连接以便对总线电压进行拉升。其中，预充电模块与背板之间的接插件设计为长针，从而可以保证预充电模块能够先于板卡上的各个元器件与背板建立连接。 

上述将总线电压拉升至设定的预充电电压，具体包括：预充电模块与背板上或外部的充电电源连接，将获取到的背板或外部电源的电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块连接的总线上的电压上拉为预充电电压。 

优选的，预充电模块通过背板获取背板上已连接的另一板卡上的电源转换模块输出的电压，将获取到的电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块连接的总线上的电压上拉为预充电电压。 

即在插入过程中，长针最先完成接触连接的过程，只要长针连接后，外部 电源或另一张板卡提供的充电电源3.3V_AUX_IN，即可以通过LDO输出设定的预充电电压，拉升总线和开关器件的电压。 

步骤S12：总线在电压上拉至预充电压后与背板连接。 

通过设置的中针，可以保证总线在电压上拉至预充电电压后才与背板连接。 

由于预充电模块已经对总线进行了预充电，因此在中针接触时总线的电压已经被预充电到一个设定的充电电压值(例如1.2V)，中针针脚接触瞬间，总线信号和开关器件的输出管脚不会存在较大的充电电流，因此不会对正在访问总线的另外一张板卡以及背板造成较大扰动。 

步骤S13：板卡上电，板卡上的逻辑器件开始检测板卡与背板的连接情况并保持板卡上的各元器件为复位状态。 

板卡上的逻辑器件通过检测设置的短针是否完成插入实现检测板卡与背板是否连接完成。 

上述热插入实现方法，还包括在总线上设置和逻辑器件相连的开关器件，开关器件在逻辑器件检测到板卡插入完成前保持关闭状态。 

步骤S14：逻辑器件检测到板卡插入完成。 

开关器件的输出使能(OE)信号使开关器件的电源电压，确保在板卡上电过程中开关不会打开，使开关器件一直输出三态，不会对总线造成明显的扰动，直至检测到板卡的短针完成接触连接。 

也就是说，在总线连接板卡上电后，CPLD开始工作，在检测到最短针和背板接触之前，一直复位热插拔主控板上面的所有器件，包括CPU、PCI总线以及以太接口等芯片，并保持开关器件处于关闭状态。 

步骤S15：解除对板卡上的元器件的复位状态设定。 

CPLD检测到短针p_pre_in信号后，解除对板卡上的元器件的复位。 

步骤S16：板卡开始初始化。 

也就是说：上述方法中通过设置的长针使预充电模块和背板先连接，通过 设置的中针使总线与背板在自身电压上拉至预充电电压后与背板连接，通过设置的短针使逻辑器件与背板连接，逻辑器件检测到自身与背板连接的短针完全插入后，确认板卡插入完成。 

上述热插入实现方法还包括：在板卡插入背板后，设置在板卡上的电源转换模块从背板获取电压，转换后通过背板提供给其他待插入的板卡的预充电模块。具体包括： 

电源转换模块中的缓启动单元从背板上的背板电源获取电压，将获取的电压传送给电源转换模块中的电流变换单元； 

电流变换单元对所述缓启动单元提供的电压进行变换，通过电源转换模块中的电流流向控制单元单向提供给其他待插入的板卡的预充电模块。 

板卡热拔出的实现流程如图7所示，执行步骤如下： 

步骤S21：当板卡从背板上拔出时，板卡上的逻辑器件检测到板卡与背板的短针连接开始断开时，复位板卡上的各元器件； 

当板卡拔出时，最短针连接的CPLD最先开始和背板脱离连接，CPLD一旦检测到短针p_pre_in信号和背板脱离，则CPLD复位板卡上的各个元器件。 

该方法还包括：在总线上设置和逻辑器件相连的开关器件，开关器件在逻辑器件检测到板卡与背板的连接开始断开改变为关闭状态，即关闭所有总线的开关器件。 

步骤S22：板卡上的各元器件复位后，板卡上的总线与背板的连接断开。 

开关器件关闭后，输出为高阻，这是总线断开连接不会对另外一张板卡正在访问的总线造成扰动，同时，电源转换模块上的电源针脚也开始和背板脱离，但是由于板卡上面存在较大的储能电容，电源还要保持一段时间才缓慢掉电。 

具体通过设置的中针保证板卡上的各元器件复位后，板卡上的总线与背板之间连接才开始断开。 

步骤S23：预充电模块维持板卡上的总线电压为设定的预充电电压。 

在板卡上设置的预充电模块，在长针脱离连接之前，一直能够维持板卡上 的总线电压为设定的预充电电压，从而尽量避免对背板以及背板上连接的其他板卡造成大的冲击。 

预充电模块维持板卡上的总线电压为设定的预充电电压具体包括：预充电模块与背板上或外部的充电电源连接，将获取到的背板或外部电源的电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块连接的总线上的电压维持为预充电电压。 

优选的，预充电模块与背板上已连接的另一板卡上的电源转换模块连接，将获取到的另一板卡上的电源转换模块输出的电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块连接的总线上的电压维持为预充电电压。 

步骤S24：预充电模块在总线电压下降至预充电电压后与背板的连接断开。 

步骤S25：板卡的热拔出完成。 

也就是说：上述方法中通过设置的短针使逻辑器件与背板的连接先断开，通过设置的中针使总线在板卡上的各元器件复位后与背板的连接断开，通过设置的长针使预充电模块在所述总线电压下降至预充电电压后与背板的连接断开。 

实施例四： 

本发明实施例四提供一种热插拔实现方法，该方法中板卡热插拔的实现过程与实施例三相同，在板卡插入背板后，还包括：新插入的板卡初始化之后，背板上已连接的板卡对新插入的板卡的信号状态检测过程，具体包括：背板上连接的板卡对初始化完成的板卡的硬件状态信号进行滤波；以及对滤波处理后的硬件状态信号进行采样，确定插入初始化完成的板卡的硬件状态信号的状态值。 

上述述对滤波处理后的硬件状态信号进行采样，确定插入初始化完成的板卡的硬件状态信号的状态值；一般按照设定的周期对滤波处理后的硬件状态信号进行两次采样，当比较确定两次采样得到的状态值相同时，确定采样得到的状态值为初始化完成的板卡的硬件状态信号的状态值。具体包括： 

(1)背板上连接的其他板卡对初始化完成的板卡的硬件状态信号进行第一次采样后，记录第一次采样的到的第一状态值。以及 

(2)在设定时间周期到达时，对初始化完成的板卡的硬件状态信号行第二次采样后，记录第二次采样得到的第二状态值。 

(3)当比较确定第二状态值与第一状态值相同时，确定采样得到的第一状态值或第二状态值为初始化完成的板卡的硬件状态信号的状态值。 

例如，双机备份系统，由于长短针设计的可靠性，两张板卡在热插拔过程中不会主动输出自身是否为主用板卡，从正在工作的板卡来看，在热插拔的瞬间，板卡的硬件状态信号会存在扰动。虽然预充电模块和长短针的设计，可以确保板卡的总线信号在热插拔的过程中不会出现明显扰动导致板卡异常，但是由于两张板卡的时钟为异步时钟，其硬件状态信号存在扰动而且完全为异步信号，在状态信号的多比特判决时，容易出现压稳态，仍然会导致正在工作的板卡异常。 

因此，可以通过上述的滤波去抖动和两次采样延迟判决，来消除热插拔过程中的状态信号毛刺，通过两次采样延迟判决来保证硬件状态信号的准确状态值。其中滤波通过增加RC滤波电路实现，而延迟采样通过逻辑器件实现。 

如图8即为在板卡上增加了通过RC滤波电路和CPLD的板卡示意图。 

其中RC滤波电路包括两个串联的电阻、一个与CPLD连接的接地电阻，和一个连接两个串联电阻的接地电容。例如：图中所示的两个100ohm的串联电阻、4.7k的接地电阻和电容103。将S_STATUS_IN[2:0]输入的信号进行滤波和采样。 

下方的一个板卡插入后，上方已经连接在背板上的另一个板卡对其信号进行采样。例如：下方新插入的板卡在输出状态信号时，也可以通过电阻实现滤波对S_STATUS_IN[2:0]输出的信号去毛刺。例如图中所示的与CPLD连接的可变电阻33ohm和4.7k的接地电阻。 

CPLD根据时钟脉冲信号进行采样。CPLD的具体电路结构如图9所示。 通过两个寄存器实现。其中，第一个寄存器根据时钟脉冲信号对输入状态信号进行第一次采样，具体从输入端D进行采样，并将第一次采样的结果保存在寄存器中的输出端Q中，在根据时钟脉冲信号进行第二次采样后，将采样结果与输出端Q中的结果进行比较，当两者相同时，确认得到正确的硬件状态信号状态值，否则就认为采样到的信号状态值存在错误，硬件上不响应这种错误的状态信号；将采样比较后得到的准确状态值通过第二个寄存器的输入端D采样，从输出端Q输出。使用这种延迟比较判决的方法，可以保证对板卡状态信号处理的稳定性和可靠性。 

由于主控板相对于业务线卡来说比较宽，接插件数量也会比业务线卡多，因此在热插拔的时候，两侧边缘的针脚与中间的针脚和背板的接触或者脱离的时间先后顺序上会不一致；由于结构上面这种公差的存在，会导致主控板在热插拔的时候，长短针不可靠，极限情况下仍然会导致另外一张主控板异常；上述短针的实际方式，通过板卡的最左边和最右边的接插件上面各定义一根最短针，连接到CPLD，使用CPLD检测，只有当两侧边缘的最短针都完全和背板接触后，才判为主控板完全插入到位，一旦最左边和最右边的任意一根最短针和背板脱离，就判为有拔出动作；从而使得主控板在热插拔时能够具有更高的可靠性。 

本发明实施例提供的上述热插拔实现方法、热插拔系统，其中的板卡不仅可以是主控板，也可以是业务线卡。只要是使用预充电模块对板卡预先充电、以降低与背板的压差，减小电流电压冲击，使用逻辑器件检测到板卡完全插入后才控制总线开关的输出使能(OE)信号，确保板卡在热插拔过程中能够准确的控制总线开关，并能够稳定的判断热插拔的各个动作，保证系统稳定性的板卡均在保护范围之内。 

本发明实施例提供的上述热插拔实现方法、热插拔系统及板卡，通过在板卡上设置预充电模块，在插入过程中先连接对总线进行预充电，将总线电压提升值设定的充电电压，在断开时，最后断开预充电模块，使总线电压先降低至 预充电电电压，从而使得在插入和断开时，总线与背板之间不会由于压差造成瞬间电流过大以及电压波动，避免了热插拔过程中对背板以及其他板卡的冲击和影响，减小插拔过程中的电流和电压冲击，提高板卡的可靠性。该设计方式即可适用于主控板也可适用于业务线卡，其通用性强和可控性好，很好的避免热插拔过程中造成的系统异常现象出现。 

上述热插拔方法和系统还可以通过设置开关器件，有逻辑器件控制开关器件的开启和关闭，在插入完成前维持开关器件为关闭状态，在检测到断开时及时关闭开关器件，从而能够很好的控制热插拔过程中板卡的工作状态，在板卡插入完成前的插入过程中和开始断开后的断开过程中是板卡上的元器件维持复位状态，避免插入和拔出过程中的抖动现象对板卡的影响，确保板卡热插拔过程中，不会对另外一张正在工作的板卡板和背板硬件状态信号造成干扰，使系统的业务继续平稳的运行，进一步保证热插拔瞬间系统的稳定性和可靠性。 

上述热插拔方法和系统改善了热插拔主控板总线信号的预充电设计方法，通过可编程逻辑器件对硬件状态信号进行延迟比较判决，成功的解决了板卡，尤其是主控板在热插拔过程中潜在的对总线信号的扰动，并彻底解决了双机备份系统在板卡板热插拔过程中会采样到亚电平的问题，最大程度的提高了双机备份系统在板卡热插拔瞬间的系统稳定性和可靠性。 

上述方法背板上插入的主控板之间可以交叉的实现为其他的主控板提供充电电源，使其他主控板插入时，能够连接到充电电源，维持预充电电压，这种交叉设计的实现方式，均针对相同类型的板卡，因此设计兼容性好，实现方便，且能够保证只要背板上有主控板已经插入，则新插入的主控板即能够有较好的充电电源，背板上已插入的主控板通过为新插入的主控板提供充电电源，减少新插入的主控板对自身的电流和电压冲击，实现安全保护。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (14)

1.一种热插拔板卡，其特征在于，包括：预充电模块、总线和与总线连接的逻辑器件；

所述预充电模块，通过设置的长针，在所述板卡插入背板时先和背板连接，将总线电压拉升至设定的预充电电压；在所述板卡从背板上拔出时维持板卡上的总线电压为设定的预充电电压，在所述总线电压下降至所述预充电电压后与背板断开连接，完成热拔出；

所述总线，通过设置的中针，在所述板卡插入背板时，在自身电压上拉至所述预充电电压后与背板连接，板卡上电；在所述板卡从背板上拔出时，在板卡上的各元器件复位后，与背板断开连接；

所述逻辑器件，在所述板卡插入背板时，在所述总线与背板连接后，开始检测板卡与背板的连接情况并保持板卡上的各元器件为复位状态，当检测到设置的短针插入完成时，解除对板卡上的元器件的复位状态设定；在所述板卡从背板上拔出时，检测到板卡与背板之间的短针连接断开时，复位板卡上的各元器件。

2.如权利要求1所述的板卡，其特征在于，所述预充电模块，具体用于：

通过背板获取背板上已连接的另一板卡上的电源转换模块输出的电压，将获取的电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块连接的总线上的电压维持为所述预充电电压。

3.如权利要求1所述的板卡，其特征在于，还包括：

电源转换模块，用于在板卡插入背板后，将从背板获取的电压转换后，通过背板提供给其他待插入的板卡的预充电模块。

4.如权利要求3所述的板卡，其特征在于，所述电源转换模块具体包括：缓启动单元、电流变换单元和单向控制单元；

所述缓启动单元，用于在板卡插入背板后，将从背板上获取的电压传送给电流变换单元； 

电流变换单元，对缓启动单元提供的电压进行变换，通过单向控制单元提供给其他待插入的板卡的预充电模块；

单向控制单元，用于控制电流流向，使电流变换单元单向向背板提供电压。。

5.如权利要求1所述的板卡，其特征在于，还包括：设置在所述总线上并和逻辑器件连接的开关器件；

所述开关器件，在板卡插入背板时，所述逻辑器件检测到板卡插入完成前，保持关闭状态；在板卡拔出背板时，在所述逻辑器件检测到板卡与背板的连接开始脱离时改变为关闭状态。

6.如权利要求1-5任一所述的板卡，其特征在于，还包括：滤波单元和信号检测单元；

所述滤波单元，用于对新插入的板卡的硬件状态信号进行滤波；

所述信号检测单元，用于按照设定的周期对滤波处理后的硬件状态信号进行两次采样，当比较确定两次采样得到的状态值相同时，确定采样得到的状态值为初始化完成的板卡的硬件状态信号的状态值。

7.一种热插拔系统，其特征在于，包括：背板和至少一个如权利要求1-6任一所述的板卡。

8.一种热插拔实现方法，其特征在于，包括：

当板卡插入背板时，所述板卡上设置的预充电模块通过设置的长针和背板先连接，将总线电压拉升至设定的预充电电压；

在电压上拉至所述预充电电压后，总线通过设置的中针与背板连接，板卡上电，板卡上的逻辑器件开始检测板卡与背板的连接情况并保持板卡上的各元器件为复位状态；

当所述逻辑器件检测到设置的短针连接完成时，解除对板卡上的元器件的复位状态设定，板卡开始初始化；

当板卡从背板上拔出时，板卡上的逻辑器件检测到板卡与背板之间的短针连接断开时，复位板卡上的各元器件； 

板卡上的各元器件复位后，所述板卡上的总线与背板之间连接的中针断开，设置的预充电模块维持板卡上的总线电压为设定的预充电电压；

在所述总线电压下降至所述预充电电压后，所述预充电模块与背板之间连接的长针断开，完成板卡的热拔出。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将总线电压拉升至设定的预充电电压，具体包括：

所述预充电模块通过背板获取背板上已连接的另一板卡上的电源转换模块输出的电压，将获取的电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块连接的总线上的电压上拉为所述预充电电压。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

在板卡插入背板后，设置在板卡上的电源转换模块从背板获取电压，转换后通过背板提供给其他待插入的板卡的预充电模块。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述总线上设置和逻辑器件连接的开关器件，所述开关器件在逻辑器件检测到板卡插入完成前保持关闭状态。

12.如权利要求8-11任一所述的方法，其特征在于，所述板卡初始化之后，还包括：

所述背板上连接的其他板卡对初始化完成的板卡的硬件状态信号进行滤波；以及

按照设定的周期对滤波处理后的硬件状态信号进行两次采样，当比较确定两次采样得到的状态值相同时，确定采样得到的状态值为初始化完成的板卡的硬件状态信号的状态值。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预充电模块维持板卡上的总线电压为设定的预充电电压，具体包括：

所述预充电模块通过背板获取背板上已连接的另一板卡上的电源转换模块输出的电压，将获取的电压转化为设定的预充电电压，使与预充电模块连接 的总线上的电压维持为所述预充电电压。

14.如权利要求8或13所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述总线上设置和逻辑器件连接的开关器件，所述开关器件在逻辑器件检测到板卡与背板的连接开始断开改变为关闭状态。 

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