CN103198034A - 一种基于cpci总线设备板卡的热插拔电源管理装置 - Google Patents

Abstract

一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置，它是由硬件和硬件辅助逻辑两部分组成，二者之间协同工作以实现总体功能，缺一不可。所述硬件部分，包括PCI总线桥接管理器与FPGA逻辑控制器构成的局部总线架构、热插拔控制模块和外部应用电路及外部端口，所述硬件辅助逻辑部分为FPGA的时序逻辑程序设计，它包含顶层模块与四个子模块的设计，顶层模块与四个子模块分别连接，四个子模块分别为电源控制管理模块、状态显示模块、局部总线写模块以及局部总线读模块；本发明受控于局部总线控制器，当设备板卡接收到故障检测信号时自动关闭板卡电源进而取出、更换板卡，不影响系统正常运行，从而达到故障隔离、维护系统正常运行的功能。

Description

一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置

技术领域：

本发明提供一种基于CompactPCI(CPCI)总线设备板卡的热插拔电源管理装置。该装置的应用能够实现CPCI总线设备的高可用模式热插拔功能，当运行中的设备上某个板卡出现故障时，可以使系统在不断电的情况下，取出或更换故障设备而不影响整个系统的正常运行，在最大程度上降低问题设备、部件给系统带来的负面影响。其中涉及电子电路设计、热插拔电源管理、CPCI总线控制器的桥接应用以及FPGA的时序逻辑设计。属于电子设备、器件热插拔技术领域。

背景技术：

热插拔(Hot swapping and Hot plugging)即“带电插拔”，其含义在于允许用户在不关闭系统、不切断电源的情况下，可以及时取出和更换损坏的硬盘、电源或板卡等部件，同时做到不影响整个系统的正常运行，在最大程度上降低问题设备、部件给系统带来的负面影响，从而以此来大幅度提高系统对故障的及时恢复能力、可扩展性和使用灵活性。配合适当的软件，便可以在不用关闭电源的情况下插入或拔除支持热插拔的周边设备，而不会导致主机甚至周边设备烧毁，并且能够实时侦测及使用新的设备。相比日常接触到的随插即用(Plug-and-Play)类设备如USB等，CPCI总线设备的热插拔相对更复杂，对软硬件的要求包含物理层、硬件层以及软件层三个方面。

随着服务器应用的深入，尤其是在航空测试系统中，服务器所承受的负荷持续日渐加重，此外由于用户对网络的依赖性同步增长，进而使用户对服务器系统的稳定性要求较之从前也大幅度提高。如此一来，用户系统对于其它配件支持热插拔技术的需求日渐提升，服务器系统主要出现故障的配件不再仅仅是硬盘系统，而更多的情况下可能是内存、CPCI适配器、电源和风扇等。有时在部分高端多路处理器服务器系统和群集服务器系统中，甚至还需要系统支持CPU和服务器本身的热插拔功能。CPCI总线设备的热插拔技术在确保服务器系统可用性方面的应用已越来越重要，已成为服务器的一项标准配置技术。

发明内容：

1、目的：本发明的目的在于提供一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置。该装置能够受控于局部总线控制器，当设备板卡接收到故障检测信号时可自动关闭板卡电源进而可以取出、更换板卡，同时不影响系统正常运行，进行更换和维修后再由控制器打开板卡电源，从而达到故障隔离、维护系统正常运行等功能。

2、技术方案：本发明——一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置，使得板卡能够实现高可用模式的热插拔功能，同时具备实现热备份功能的硬件基础。本装置分为硬件部分和硬件辅助逻辑两部分，两者之间的关系是：硬件部分与辅助逻辑部分二者之间协同工作以实现总体功能，二者缺一不可。

该硬件部分包括基于PCI桥接管理器与FPGA逻辑控制器构成的CPCI局部总线架构、热插拔控制模块、外部应用电路及外部端口。其中PCI桥接管理器与FPGA逻辑控制器实现局部总线的管理以及与CPCI总线的通讯功能；热插拔控制模块实现由软件控制的板卡电源管理功能；外部应用电路及外部端口可按使用需要进行配置。硬件辅助逻辑部分为FPGA逻辑控制器的时序逻辑控制，用以进行局部总线管理并与CPCI总线进行信息交换，可管理、控制总线上各设备的热插拔和热备份功能。

(1)硬件部分：

一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置的硬件部分，包括PCI总线桥接管理器与FPGA逻辑控制器构成的局部总线架构、热插拔控制模块和外部应用电路及外部端口，它们之间的连接关系、信号走向是：PCI总线桥接管理器桥连接至CPCI计算机总线，其局部总线桥连接至FPGA逻辑控制器，热插拔控制模块的电源连接至CPCI总线端并由其供电，同时该模块的控制端连接至FPGA逻辑控制器，外部应用电路及外部端口连接至FPGA逻辑控制器；装置硬件结构框图如图1所示。

所述PCI总线桥接管理器与FPGA逻辑控制器构成的局部总线架构由PCI9054桥接控制器芯片和EP2C8Q208C8N型号的FPGA逻辑控制器构成，其之间的关系是：PCI总线桥接管理器用于连通局部总线与CPCI总线的信息交换通道，转换总线数据；FPGA逻辑控制器控制局部总线，接收并执行CPCI总线给出的指令。该PCI9054芯片专用于PCI/CPCI总线的桥接控制，连通CPCI总线与局部总线并完成总线信息交换，该FPGA逻辑控制器用于管理局部总线时序、处理信息以及管理外部功能电路，FPGA逻辑控制器的配置芯片采用EPC4SI8N芯片，用于储存FPGA的时序逻辑程序，当设备板卡上电时自动向FPGA中下载程序。

所述热插拔控制模块由热插拔控制器芯片MIC2580与场效应管IRF7413构成，其之间的关系是：场效应管IRF7413隔离并控制5V和3.3V电源通道，其控制端连接至热插拔控制器芯片MIC2580并由其控制；该MIC2580是专用于CPCI总线设备热插拔管理的控制芯片，设有5V、3.3V、12V和-12V四个电源接口，当其中任一电源发生电流过载或供电不正常现象时即切断电源，同时通过ON#引脚的逻辑电平也可控制四路电源的开启与关闭,芯片内部集成了12V和-12V的场效应管电路，ON#引脚受控于FPGA逻辑控制器，由软件控制板卡设备的电源开启与关闭；该场效应管IRF7413受控于MIC2580芯片，用于减缓电源开启和关闭造成的电流冲击。该模块设计原理如图2所示。

所述外部应用电路及外部端口包括外部功能电路，它包括16个光耦隔离芯片HCPL2531，构成16路输入、16路输出的数字量输入输出通道，可根据设备板卡具体功能需求进行配置，由FPGA逻辑控制器进行管理与控制。

(2)硬件辅助逻辑部分：

一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置的辅助逻辑部分，为FPGA的时序逻辑程序设计，硬件辅助逻辑主要包含顶层模块与四个子模块的设计，其之间的关系是：顶层模块与四个子模块分别连接，四个子模块并行工作，分别通过各自数据接口共享顶层模块上的数据，并根据接收到的控制命令读取或修改顶层模块中的数据；四个子模块分别为电源控制管理模块、状态显示模块、局部总线写模块以及局部总线读模块，硬件辅助逻辑结构示意图如图3所示。

所述顶层模块用于协调整体时序逻辑、各模块间配合与协调以及各模块间输入输出接口，同时能够管理并计算数据，可集成管理板卡的外部功能。此外，顶层模块还具备管理板卡工作状态的功能，可监控板卡当前在总线上的识别状态、工作状态以及热插拔状态等，如图4所示为状态检测转换示意图。

所述电源控制管理模块用于控制3.3V、5V、12V与-12V的开启与关闭，当系统下达指令至FPGA逻辑控制器时，通过电源控制管理模块识别当前电源供电状态，执行相应决策并通过状态显示模块输出显示；

所述状态显示模块由FPGA时钟倍频至200MHz以上频率，通过计算产生占空比变化的三路PWM调制信号，通过该模块接口连接至红绿蓝（RGB）三色发光二级管上，从而用较小的电流、较少的资源可以显示多种不同状态，便于调试与使用。

所述局部总线写模块以及局部总线读模块用于与CPCI总线通讯，通过时序的配合完成与PCI9054芯片的通讯工作，分别实现接收总线下行信息、上传数据信息至总线的功能。

3、优点及功效：

本发明一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置，它是一种动态电压快速补偿装置，其优点和有益效果如下：

(1)在CPCI总线设备板卡出现故障时，本装置能够使系统在不关闭电源的情况下适时取出更换故障设备，可有效减少系统停电时间，有益于维护系统正常运行。

(2)本装置可使CPCI设备板卡同时兼有基本热插拔、完全热插拔和高可用模式热插拔三个等级的功能，可由软件自动控制板卡电源的开启和关闭。

(3)该装置自动化程度较高，可以实现总线设备故障隔离功能。

(4)相比于完全热插拔的总线设备装置，本装置使用更灵活，具备active/stand by模式的热备份功能硬件基础。

(5)采用相同设计原理，可以实现多种不同外部功能的CPCI总线设备板卡设计，具备高可用模式的热插拔功能且维护成本较低。

(6)可广泛应用，适用于任一CPCI总线结构的机箱使用。

附图说明：

图1本发明硬件部分结构方框示意图

图2热插拔控制器模块结构示意图

图3本发明FPGA逻辑控制器结构示意图

图4热插拔控制状态转换结构示意图

图5本发明外部功能模块结构示意图

图中符号说明如下：

CPCI:Compact PCI紧凑型PCI总线；

FPGA:现场可编程门阵列

具体实施方式

见图1——图5，本发明——一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置，它包括硬件和硬件辅助逻辑两部分，两者之间的关系是：硬件及其辅助逻辑协同工作以实现总体功能，二者缺一不可。

该硬件部分包括基于PCI总线的桥接管理器与FPGA逻辑控制器构成的局部总线架构、热插拔控制模块、外部应用电路及外部端口。装置硬件部分的结构框图如图1所示。

所述基于PCI总线的桥接管理器与FPGA逻辑控制器构成的局部总线架构由PCI9054芯片和EP2C8Q208C8N型号的FPGA构成。PCI9054芯片专用于PCI/CPCI总线的桥接控制，连通CPCI总线与局部总线并完成总线信息交换，所述FPGA逻辑控制器用于管理局部总线时序、处理信息以及管理外部功能电路，FPGA逻辑控制器的配置芯片采用EPC4SI8N芯片，用于储存FPGA的时序逻辑程序，当设备板卡上电时自动向FPGA中下载程序。

所述热插拔控制模块由热插拔控制器芯片MIC2580与场效应管IRF7413构成。MIC2580是专用于CPCI总线设备热插拔管理的控制芯片，设有5V、3.3V、12V和-12V四个电源接口，当其中任一电源发生电流过载或供电不正常现象时即切断电源，同时通过ON#引脚的逻辑电平也可控制四路电源的开启与关闭,芯片内部集成了12V和-12V的场效应管电路，ON#引脚受控于FPGA控制器，由软件控制板卡设备的电源开启与关闭；所述场效应管IRF7413受控于MIC2580芯片，用于减缓电源开启和关闭造成的电流冲击。该模块设计原理及具体连接方法如图2所示。

所述外部应用电路及外部端口主要包括外部功能电路，可根据设备板卡具体功能需求进行配置，由FPGA逻辑控制器进行管理与控制，具体应用时可按图5所示，将PCI总线桥接管理器、热插拔控制模块、FPGA逻辑控制器等通用部分以最小系统的形式设计，形成固化接口模块，定义FPGA的外部功能接口规范从而简化设计。

该硬件辅助逻辑部分为FPGA的时序逻辑程序设计，程序主要包含顶层模块与四个子模块的设计，其之间的关系是：顶层模块与四个子模块分别连接，四个子模块并行工作，分别通过各自数据接口共享顶层模块上的数据，并根据接收到的控制命令读取或修改顶层模块中的数据；四个子模块分别为电源控制管理模块、状态显示模块、局部总线写模块以及局部总线读模块，硬件辅助逻辑结构示意图如图3所示。

所述顶层模块用于协调整体时序逻辑、各模块间配合与协调以及各模块间输入输出接口，同时能够管理并计算数据，可集成管理板卡的外部功能。此外，顶层模块还具备管理板卡工作状态的功能，可监控板卡当前在总线上的识别状态、工作状态以及热插拔状态等，如图4所示为状态检测转换示意图。

所述电源管理模块用于控制3.3V、5V、12V与-12V的开启与关闭，当系统下达指令至FPGA控制器时，通过电源管理模块识别当前电源供电状态，执行相应决策并通过状态显示模块输出显示；

所述状态显示模块由FPGA时钟倍频至200MHz以上频率，通过计算产生占空比变化的三路PWM调制信号，通过模块接口连接至红绿蓝（RGB）三色发光二级管上，从而用较小的电流、较少的资源可以显示多种不同状态，便于调试与使用。

所述局部总线写模块以及局部总线读模块用于与CPCI总线通讯，通过时序的配合完成与PCI9054芯片的通讯工作，分别实现接收总线下行信息、上传数据信息至总线的功能。

Claims (1)

1.一种基于CPCI总线设备板卡的热插拔电源管理装置，其特征在于：它是由硬件和硬件辅助逻辑两部分组成，二者之间协同工作以实现总体功能，二者缺一不可；

所述硬件部分，包括PCI总线桥接管理器与FPGA逻辑控制器构成的局部总线架构、热插拔控制模块和外部应用电路及外部端口，PCI总线桥接管理器桥连接至CPCI计算机总线，其局部总线桥连接至FPGA逻辑控制器，热插拔控制模块的电源连接至CPCI总线端并由其供电，同时该模块的控制端连接至FPGA逻辑控制器，外部应用电路及外部端口连接至FPGA逻辑控制器；

该PCI总线桥接管理器与FPGA逻辑控制器构成的局部总线架构由PCI9054桥接控制器芯片和EP2C8Q208C8N型号的FPGA逻辑控制器构成，PCI总线桥接管理器用于连通局部总线与CPCI总线的信息交换通道，转换总线数据；FPGA逻辑控制器控制局部总线，接收并执行CPCI总线给出的指令；该PCI9054芯片专用于PCI/CPCI总线的桥接控制，连通CPCI总线与局部总线并完成总线信息交换，该FPGA逻辑控制器用于管理局部总线时序、处理信息以及管理外部功能电路，FPGA逻辑控制器的配置芯片采用EPC4SI8N芯片，用于储存FPGA的时序逻辑程序，当设备板卡上电时自动向FPGA中下载程序；

该热插拔控制模块由热插拔控制器芯片MIC2580与场效应管IRF7413构成，场效应管IRF7413隔离并控制5V和3.3V电源通道，其控制端连接至热插拔控制器芯片MIC2580并由其控制；该MIC2580是专用于CPCI总线设备热插拔管理的控制芯片，设有5V、3.3V、12V和-12V四个电源接口，当其中任一电源发生电流过载或供电不正常现象时即切断电源，同时通过ON#引脚的逻辑电平也控制四路电源的开启与关闭，芯片内部集成了12V和-12V的场效应管电路，ON#引脚受控于FPGA逻辑控制器，由软件控制板卡设备的电源开启与关闭；该场效应管IRF7413受控于MIC2580芯片，用于减缓电源开启和关闭造成的电流冲击；

该外部应用电路及外部端口包括外部功能电路，它包括16个光耦隔离芯片HCPL2531，构成16路输入、16路输出的数字量输入输出通道，根据设备板卡具体功能需求进行配置，由FPGA逻辑控制器进行管理与控制；

所述硬件辅助逻辑部分为FPGA的时序逻辑程序设计，该硬件辅助逻辑部分包含顶层模块与四个子模块的设计，顶层模块与四个子模块分别连接，四个子模块并行工作，分别通过各自数据接口共享顶层模块上的数据，并根据接收到的控制命令读取或修改顶层模块中的数据；四个子模块分别为电源控制管理模块、状态显示模块、局部总线写模块以及局部总线读模块；

该顶层模块用于协调整体时序逻辑、各模块间配合与协调以及各模块间输入输出接口，同时能够管理并计算数据，可集成管理板卡的外部功能；此外，顶层模块还具备管理板卡工作状态的功能，可监控板卡当前在总线上的识别状态、工作状态以及热插拔状态；

该电源控制管理模块用于控制3.3V、5V、12V与-12V的开启与关闭，当系统下达指令至FPGA逻辑控制器时，通过电源控制管理模块识别当前电源供电状态，执行相应决策并通过状态显示模块输出显示；

该状态显示模块由FPGA时钟倍频至200MHz以上频率，通过计算产生占空比变化的三路PWM调制信号，通过该模块接口连接至红绿蓝三色发光二级管上，从而用较小的电流、较少的资源显示多种不同状态，便于调试与使用；

该局部总线写模块和局部总线读模块用于与CPCI总线通讯，通过时序的配合完成与PCI9054芯片的通讯工作，分别实现接收总线下行信息、上传数据信息至总线的功能。

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