CN112462911A - 一种高密板卡控制架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高密板卡控制架构。该架构包括电源加电与关电顺序控制模块、时钟系统控制模块、电源监控系统控制及状态输出模块、FPGA远程调试与烧写功能模块、对外接口传输功能模块;电源加电与关电顺序控制模块监控芯片是否正常工作,时钟系统控制模块通过ARM主控芯片连接时钟芯片进行板卡时钟控制,监控系统控制及状态输出模块对电压值和板卡温度进行监控,并对外传输板卡的监控状态;FPGA远程调试与烧写功能模块对FPGA进行远程调试与烧写;对外接口传输功能模块实现对外通信。本发明实现了板卡的内部电源监控,能够对内控制通信与时钟系统,对外传输系统监控状态和进行数据通信,并且体积小,能够满足微小型复杂板卡的需求。

Description

一种高密板卡控制架构
技术领域
本发明属于电路板卡技术领域,特别是一种高密板卡控制架构。
背景技术
随着通信、雷达与电子对抗领域的飞速发展,对于板卡的要求在逐渐增加,例如逻辑芯片FPGA的更新带来电源系统、时钟系统的复杂化,JESD204B等协议带来时钟系统的复杂化,特殊环境如整体机箱等增加了程序调试与烧写的难度,板卡芯片密度的提升带来了整体板卡的状态需要监控的问题,这些都离不开整个控制架构,因此对于控制架构提出了如下要求:
1.控制架构的电源简单,最好单一电源能够实现整个板卡的控制架构。
2.集成多路ADC功能,能够实现板卡的内部电源监控。
3.具有网络实现功能,能够对外传输系统监控状态。
4.具有SPI、I2C等接口通信能力,能够对内实现通信与时钟系统等控制功能,对外能够实现数据通信功能。
5.体积小,能够满足微小型复杂板卡的需求。
目前,尚未有能够同时满足以上要求的板卡控制架构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现板卡的内部电源监控,能够对内控制通信与时钟系统,对外传输系统监控状态和进行数据通信,并且体积小,能够满足微小型复杂板卡的需求的板卡控制架构。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种高密板卡控制架构,包括ARM主控芯片,以及与ARM主控芯片连接的板卡电源、控制电源、开关电源、稳压电源、时钟芯片、温度传感器、网口、FPGA;
ARM主控芯片内部集成多路ADC,通过将板卡电源连接到ADC内,进行参数读取,从而识别出电压值进行监控;
ARM主控芯片通过GPIO口的0,1电平对开关电源和稳压电源使能进行控制,通过读取开关电源与稳压电源的PGOOD信号确认芯片是否正常工作,从而实现整个板卡系统的加电与关电顺序控制;
ARM主控芯片连接温度传感器,通过对板卡温度、芯片温度进行参数读取,从而对板卡温度进行监控;
ARM主控芯片连接网口,对外通过网络调试工具传输板卡的监控状态;
ARM主控芯片通过XVC对FPGA进行远程调试与烧写程序;
ARM主控芯片连接时钟芯片,通过编译SPI时序或者使用I2C功能控制时钟芯片,对板卡时钟进行分配与控制;
ARM主控芯片,通过编译I2C、SPIO、串口、QSPI这些接口实现对外通信。
进一步地,所述ARM主控芯片,采用TI的TM4C1294。
进一步地,所述ARM主控芯片内部集成多路ADC,所述ADC为低速多位ADC,此ADC用于监控板卡电压;能够监控的最高电压为供电电压,对于高于供电电压的需监控电压,通过两个电阻串联将需监控电压Va进行等比例k降压成Vb,即Vb=k*Va,同时,Vb需小于供电电源从而能够被监控,最终对于监控的电压输出时将Vb/k进行恢复成原始的监控电压。
进一步地,所述时钟芯片采用LMK04828,主控芯片与时钟芯片的电源为,使用同一个dcdc电源转换来的单一电源,且LMK04828时钟通过TM4C1294模拟SPI时序进行寄存器值写入,从而实现所需时钟的输出。
进一步地,所述ARM主控芯片连接温度传感器,采用TM4C1294+MAX1989+NPN温度感应器,MAX1989读取具有输出温度功能的芯片温度,同时通过NPN温度感应器进行板卡温度读取,另外,MAX1989与TM4C1294通过I2C进行连接直接读取数据,且I2C能够根据地址不同连接在同一个GPIO口上面。
进一步地,所述ARM主控芯片通过XVC对FPGA进行远程调试与烧写程序,
通过连接FPGA的JTAG与ARM主控芯片的GPIO,基于XVC协议,外部上位机将bit文件通过网络TCP/IP协议传输进入ARM主控芯片;ARM主控芯片将此文件数据通过XVC协议进行解包,然后对解包数据模拟JTAG时序传输给FPGA,从而实现FPGA的远程调试与加载。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:(1)控制架构的电源简单,并且能够实现整个板卡的控制架构;(2)集成多路ADC功能,能够实现板卡的内部电源监控;(3)具有网络实现功能,能够对外传输系统监控状态;(4)具有SPI、I2C等接口通信能力,能够对内实现通信与时钟系统等控制功能,对外能够实现数据通信功能;(5)体积小,能够满足微小型复杂板卡的需求。
附图说明
图1是本发明高密板卡控制架构的结构示意图。
具体实施方式
本发明一种高密板卡控制架构,包括ARM主控芯片,以及与ARM主控芯片连接的板卡电源、控制电源、开关电源、稳压电源、时钟芯片、温度传感器、网口、FPGA;
ARM主控芯片内部集成多路ADC,通过将板卡电源连接到ADC内,进行参数读取,从而识别出电压值进行监控;
ARM主控芯片通过GPIO口的0,1电平对开关电源和稳压电源使能进行控制,通过读取开关电源与稳压电源的PGOOD信号确认芯片是否正常工作,从而实现整个板卡系统的加电与关电顺序控制;
ARM主控芯片连接温度传感器,通过对板卡温度、芯片温度进行参数读取,从而对板卡温度进行监控;
ARM主控芯片连接网口,对外通过网络调试工具传输板卡的监控状态;
ARM主控芯片通过XVC对FPGA进行远程调试与烧写程序;
ARM主控芯片连接时钟芯片,通过编译SPI时序或者使用I2C功能控制时钟芯片,对板卡时钟进行分配与控制;
ARM主控芯片,通过编译I2C、SPIO、串口、QSPI这些接口实现对外通信。
进一步地,所述ARM主控芯片,采用TI的TM4C1294。
进一步地,所述ARM主控芯片内部集成多路ADC,所述ADC为低速多位ADC,此ADC用于监控板卡电压;能够监控的最高电压为供电电压,对于高于供电电压的需监控电压,通过两个电阻串联将需监控电压Va进行等比例k降压成Vb,即Vb=k*Va,同时,Vb需小于供电电源从而能够被监控,最终对于监控的电压输出时将Vb/k进行恢复成原始的监控电压。
进一步地,所述时钟芯片采用LMK04828,主控芯片与时钟芯片的电源为,使用同一个dcdc电源转换来的单一电源,且LMK04828时钟通过TM4C1294模拟SPI时序进行寄存器值写入,从而实现所需时钟的输出。
进一步地,所述ARM主控芯片连接温度传感器,采用TM4C1294+MAX1989+NPN温度感应器,MAX1989读取具有输出温度功能的芯片温度,同时通过NPN温度感应器进行板卡温度读取,另外,MAX1989与TM4C1294通过I2C进行连接直接读取数据,且I2C能够根据地址不同连接在同一个GPIO口上面。
进一步地,所述ARM主控芯片通过XVC对FPGA进行远程调试与烧写程序,
通过连接FPGA的JTAG与ARM主控芯片的GPIO,基于XVC协议,外部上位机将bit文件通过网络TCP/IP协议传输进入ARM主控芯片;ARM主控芯片将此文件数据通过XVC协议进行解包,然后对解包数据模拟JTAG时序传输给FPGA,从而实现FPGA的远程调试与加载。
所述ARM主控制芯片、温度传感芯片、时钟芯片,根据应用需求选择相应的型号;所述监控系统控制及状态输出模块的对外接口协议,根据应用需求选择相应的协议;所述对外接口传输功能模块的网络传输协议,根据需求选择具体协议;所述监控系统及状态输出模块,根据应用需求输出相应监控数据;所述时钟系统控制模块,根据具体应用需求选择相应的传输协议进行相应的寄存器读写。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例
结合图1,本发明一种高密板卡控制架构,包括电源加电与关电顺序控制模块、时钟系统控制模块、电源监控系统控制及状态输出模块、FPGA远程调试与烧写功能模块、对外接口传输功能模块;
所述电源加电与关电顺序控制模块,通过读取开关电源与稳压电源的PGOOD信号进行确认芯片是否正常工作;
所述时钟系统控制模块,通过ARM主控芯片连接时钟芯片进行板卡时钟控制;
所述监控系统控制及状态输出模块,在ARM内部集成一定数量的ADC,通过将板卡电源连接到ADC内,进行参数读取,从而识别出电压值进行监控;ARM连接温度传感芯片,通过对板卡温度、芯片温度进行参数读取,从而对板卡温度进行监控;ARM通过板卡网口,对外通过网络调试工具传输板卡的监控状态;
所述FPGA远程调试与烧写功能模块,通过XVC对FPGA进行远程调试与烧写程序;
所述对外接口传输功能模块,通过I2C、SPIO、串口、QSPI实现与其他设备的通信。
进一步地,所述ARM主控制芯片、温度传感芯片、时钟芯片,根据应用需求选择相应的型号,具体如下:
对于主控制系统的ARM或者具有相关功能的控制芯片选择,对于微小型或者仅有特定空间实现控制功能的板卡而言,选择相对尺寸较小,供电电源单一,时钟需求单一的ARM芯片较为合适,例如TI的TM4C1294,此款芯片BGA封装,尺寸较小,同时对外控制管腿较多。供电为单一的3.3V,可以通过外部电源直接通过DCDC进行供电,时钟需求单一,同时,时钟的供电电源也可以通过DCDC的3.3V进行供电。对于板卡空间要求不是很高的情况下,可以选择复杂控制主芯片,例如ZYNQ类芯片,能够实现操作系统,速度与效能更快,但是需要DDR配合使用,占用空间较大,供电电源和工作时钟较为复杂。
对于高性能控制芯片,内部集成多路低速多位ADC,此ADC可以用于监控板卡主要电压,同时,对于能够监控的最高电压为供电电压,对于高于供电电压的需监控电压,最简单的方法即通过两个电子串联将需监控电压Va进行等比例降压成Vb,即Vb=k*Va,同时,Vb需小于供电电源从而能够被监控,最终对于监控的电压输出时将Vb/k进行恢复成原始的监控电压。
对于主控制芯片,很多芯片内部集成了变压器,例如TI的TM4C1294,只需要外部加入一个RJ45既可以实现与外部进行网络传输。此内部集成了变压器能够减少板卡应用空间,且布线更为简单。此网络可以用于实现XVC协议的实现,此在下章节详细介绍,且可以在网络空余时间对外通过TCP/IP网络协议传输板卡的电压情况,温度情况,时钟情况等等健康数据。外部上位机通过网络调试工具自动或者主动接收板卡监控数据进行监控。
对于复杂应用板卡而言,具有复杂的供电系统,且各个供电系统的时钟开关电顺序对板卡的应用至关重要,例如,FPGA的加电顺序能够影响FPGA能否正常工作。更有甚者,有些芯片的加电顺序错误能够引起芯片的损坏。
对于主控制芯片而言,有大量对外输出的普通GPIO口,将GPIO口与板卡开关电源与线性电源的使能en与PGOOD信号管腿相连接,通过对使能en管腿置0或1从而进行开关电控制,通过读取连接PGOOD的GPIO口进行判断电源芯片是否正常工作,从而实现整个板卡系统的加电与关电顺序控制。
对于复杂多功能板卡,所需时钟数量多,时钟种类多。因此需要ARM主控芯片连接时钟芯片进行板卡时钟控制。例如主控芯片TM4C1294+LMK04828进行整版时钟控制。同时,主控芯片与时钟芯片的电源都是使用同一个dcdc电源转换来的单一电源,且LMK04828时钟是通过TM4C1294进行模拟SPI时序进行寄存器值写入从而实现所需时钟的输出。
进一步地,所述监控系统及状态输出模块,根据应用需求输出相应监控数据,具体如下:
对于板卡温度,通过主控芯片连接温度传感器。例如TM4C1294+MAX1989+NPN温度感应器。max1989可以读取具有输出温度功能的芯片温度,同时可以通过NPN温度感应器进行板卡温度读取,另外,max1989与TM4C1294通过I2C进行连接直接读取数据。且I2C可以根据地址不同连接在同一个GPIO口上面,节省空间。
进一步地,所述FPGA远程调试与烧写功能模块,通过XVC对FPGA进行远程调试与烧写程序,具体如下:
对于特定环境下,FPGA类可编程芯片通过JTAG调试难度大,因此通过连接FPGA的JTAG与主控制芯片的GPIO,通过XVC协议,与FPGA进行连接,外部上位机将bit文件通过网络TCP/IP协议传输进入主控制芯片。主控制芯片将此文件数据通过XVC协议进行解包,然后对解包数据模拟JTAG时序传输给FPGA,从而实现FPGA的远程调试与加载。
综上所述,本发明控制架构的电源简单,并且能够实现整个板卡的控制架构;集成多路ADC功能,能够实现板卡的内部电源监控;具有网络实现功能,能够对外传输系统监控状态;具有SPI、I2C等接口通信能力,能够对内实现通信与时钟系统等控制功能,对外能够实现数据通信功能;体积小,能够满足微小型复杂板卡的需求。

Claims (6)

1.一种高密板卡控制架构,其特征在于,包括ARM主控芯片,以及与ARM主控芯片连接的板卡电源、控制电源、开关电源、稳压电源、时钟芯片、温度传感器、网口、FPGA;
ARM主控芯片内部集成多路ADC,通过将板卡电源连接到ADC内,进行参数读取,从而识别出电压值进行监控;
ARM主控芯片通过GPIO口的0,1电平对开关电源和稳压电源使能进行控制,通过读取开关电源与稳压电源的PGOOD信号确认芯片是否正常工作,从而实现整个板卡系统的加电与关电顺序控制;
ARM主控芯片连接温度传感器,通过对板卡温度、芯片温度进行参数读取,从而对板卡温度进行监控;
ARM主控芯片连接网口,对外通过网络调试工具传输板卡的监控状态;
ARM主控芯片通过XVC对FPGA进行远程调试与烧写程序;
ARM主控芯片连接时钟芯片,通过编译SPI时序或者使用I2C功能控制时钟芯片,对板卡时钟进行分配与控制;
ARM主控芯片,通过编译I2C、SPIO、串口、QSPI这些接口实现对外通信。
2.根据权利要求1所述的高密板卡控制架构,其特征在于,所述ARM主控芯片,采用TI的TM4C1294。
3.根据权利要求1所述的高密板卡控制架构,其特征在于,所述ARM主控芯片内部集成多路ADC,所述ADC为低速多位ADC,此ADC用于监控板卡电压;能够监控的最高电压为供电电压,对于高于供电电压的需监控电压,通过两个电阻串联将需监控电压Va进行等比例k降压成Vb,即Vb=k*Va,同时,Vb需小于供电电源从而能够被监控,最终对于监控的电压输出时将Vb/k进行恢复成原始的监控电压。
4.根据权利要求2所述的高密板卡控制架构,其特征在于,所述时钟芯片采用LMK04828,主控芯片与时钟芯片的电源为,使用同一个dcdc电源转换来的单一电源,且LMK04828时钟通过TM4C1294模拟SPI时序进行寄存器值写入,从而实现所需时钟的输出。
5.根据权利要求4所述的高密板卡控制架构,其特征在于,所述ARM主控芯片连接温度传感器,采用TM4C1294+MAX1989+NPN温度感应器,MAX1989读取具有输出温度功能的芯片温度,同时通过NPN温度感应器进行板卡温度读取,另外,MAX1989与TM4C1294通过I2C进行连接直接读取数据,且I2C能够根据地址不同连接在同一个GPIO口上面。
6.根据权利要求4所述的高密板卡控制架构,其特征在于,所述ARM主控芯片通过XVC对FPGA进行远程调试与烧写程序,
通过连接FPGA的JTAG与ARM主控芯片的GPIO,基于XVC协议,外部上位机将bit文件通过网络TCP/IP协议传输进入ARM主控芯片;ARM主控芯片将此文件数据通过XVC协议进行解包,然后对解包数据模拟JTAG时序传输给FPGA,从而实现FPGA的远程调试与加载。
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