CN1622007A - 一种用于嵌入式计算机系统的电源/控制板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，包括一电源转换模块、备份启动芯片、两电压转换芯片、第一控制继电器、第二控制继电器、双串口芯片、遥测/遥控/电源接口，双串口芯片与备份启动芯片通过X端口总线与系统主板相连，目的是提供一个备用的启动代码地址，当位于主设备上的启动芯片受到意外损害而不能正常启动时，可以通过控制命令切换到备份启动芯片启动，这也适应了航天工程高可靠性的特点，提高了所述系统的可靠性和性能。

Description

一种用于嵌入式计算机系统的电源/控制板

技术领域

本发明涉及一种电源/控制板，尤其涉及一种应用于航空、航天领域中的高性能、高可靠的嵌入式计算机系统的电源/控制板。

背景技术

Compact PCI技术是一种基于标准PCI总线的小巧而坚固的高性能总线技术。1994年PICMG(PCI Computer Manufacturer’s Group，PCI工业计算机制造商联盟)提出了Compact PCI技术，它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。

Compact PCI板具有以下特点：

·PCI局部总线

·标准的Eurocard尺寸(根据IEEE 1101.1机械标准)

·HD(高密度)2mm引脚与插座连接器(IEC认可，Bellcore)

一、PCI局部总线

PCI即外围设备互联之意，1992年由Intel发布，很快成为商业PC机总线标准。PCI是一种独立于处理器的数据总线，不但性能良好而且价格便宜。PCI局部总线大意两种数据宽度：32位和64位，总线速度可达66MHZ，理论数据处理能力：32位为264MB/S，64位为528MB/S。大多数计算机和操作系统都支持PCI。因为有大量支持PCI的产品，使得PCI产品既便宜又容易买到。拥有这些优势，PCI总线非常适合在高速计算和高速数据通讯领域中应用。

二、欧式插卡机械结构

欧式插卡机械结构是一种由VMEbus推广的工业级包装标准。有两种欧式插卡规格：3U和6U。3U Compact PCI卡尺寸为160mm×100mm，6U卡为160mm×233.35mm，其具体形状如图1所示。Compact PCI卡的前面板符合IEEE 1101.1和IEEE 1101.10标准，并且可以包含可选的EMC密封圈以降低电磁干扰。典型情况下前面板包含I/O接口，LED指示灯和开关。Compact PCI也支持IEEE 1101.11的后面板I/O。由于其易于维护的特性，后面板I/O在电信设备上用的非常普遍。由于所有的连线都连接在后部转接板上，前面的Compact PCI插卡没有任何连线，因此可以在更换板卡时无需重新连线。

三、针孔连接器

Compact PCI使用符合IEC-1076国际标准高密度气密式针孔连接器，其2mm的金属针脚具有低感抗和阻抗，从而减少了高速PCI总线引起的信号反射，使Compact PCI系统在单总线段即可达到8个槽，Compact PCI定义了5种接口：J1到J5，规范只定义了J1和J2的信号线管脚。3U Compact PCI板卡只有J1和J2两个接口，6U板J1到J5都包括。J1和J2在3U和6U Compact PCI板卡上的定义是一样的，因此3U和6U Compact PCI板卡在电气上是可以互换的。

Compact PCI系统由一个或一个以上的Compact PCI段组成，每一个段包括1块系统板(System Slot)和7块外围板(Peripheral Slot)，板与板中心的间距为20.32mm。系统板为所有该段内的板提供仲裁、时钟分配和复位功能。系统板负责执行系统的初始化，管理每一个本地板的IDSEL信号。在物理上，系统板可以插在背板上的任何位置。为了简化问题，规范规定最左边的槽位为系统板的插槽(从背板前面看)，具体的位置如图2所示。系统中卡为垂直安装，以确保适当的散热。气流均匀，散热性好。

Compact PCI总线具有良好的机械特性。它增强了PCI系统在电信或其他条件恶劣的工业环境中的可维护性和可靠性。Compact PCI板遵从Eurocard封装标准，从而为PCI环境增加了工业级别的可靠性与可维护性。Eurocard特性包括大量可选的板卡特性(可有4096个组合)，如前端面板封挡、减少电磁干扰的EMC保护特性等。Compact PCI电路板采用IEC规格的2mm插针插接连接器，其插槽电路板可从机箱前面插入，I/O板可从机箱前面插入也可以从背面插入。Compact PCI的连接器本身是高低不同的针和槽式连接器。这些针槽连接器可提供更快的传播速度，减少总线/连接器接口上的反射，降低噪音，可更好地匹配阻抗，并且提高了机械可靠性。这些针槽连接器、封挡机制等综合在一起，为每一块板与系统间的连接提供更好的支持和耐久性，维护、修理和升级等也都得到明显的简化。

Compact PCI总线是以PCI电气规范为标准的高性能工业用总线。Compact PCI总线易于扩展，可同时支持多达256个的标准PCI总线设备。它可在每个子系统中支持8个插槽，加上桥接芯片后，Compact PCI可很容易地扩展支持到32个插槽。

基于以上Compact PCI总线技术的优点，该总线结构正逐渐取代原有的总线结构，被广泛应用于工业控制等领域的计算机系统中。目前APCI5000系列嵌入式工业控制机采用了Compact PCI总线技术，底板只有一个系统槽，单CPU板，其性能得到了大大提高，但是对于系统可靠性和计算机性能都要求较高的领域，例如航空、航天领域，其可靠性和性能都有待提高。

同时，现代航天科技的高速发展，需要航天计算机的数据处理能力大幅度提高，而目前国内使用的航天计算机还不能达到这样的高要求，为此，基于高性能CPU的计算机主板的研究开发就显得尤为必要。一个航天电子系统是一个典型的层次结构，越向上层，对计算机的处理能力的要求越高，同时对可靠性的要求也越高，不同的功能块对计算机的处理能力要求不相同，数据信息交换的量也不同。目前，我国的航天电子系统在中低处理能力计算机和中低速率数据联网传输方面已有较成熟的技术储备，而在高性能计算机和高速数据传输方面和国际先进水平还有明显的差距。

此外，卫星或飞船系统一般提供给27V电源给载荷，而多数的集成电路芯片采用的电压为5V、3.3V、2.5V等；同时，为了控制和监测计算机系统的工作方式，使其更加有效地为航天工程服务，须采用的先进合理控制逻辑和有效的监测手段。现有计算机系统的结构和板卡的设计都需要进一步的改进，且单系统主板的可靠性和稳定性仍需进一步提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，配合嵌入式计算机双系统的特点，进一步增加所述系统的性能和系统稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，包括一电源转换模块、备份启动芯片、两电压转换芯片、第一控制继电器、第二控制继电器、双串口芯片、遥测/遥控/电源接口，双串口芯片与备份启动芯片通过X端口总线与系统主板相连；所述电源/控制板通过所述遥测/遥控/电源接口输入电压经过电源模块和电压转换芯片输出电压；所述电源/控制板通过遥测/遥控/电源接口输入遥控信号，发出遥测信号，输入遥控信号通过所述第一控制继电器控制SYSENA信号和SYSENF信号的高低，通过所述第二控制继电器控制BOOT信号和BOOTBAK信号的高低；所述电源/控制板与计算机系统基于Compact PCI结构连接。

在上述方案中，所述X端口为系统主板上的CPU的只读存储器的RCS0#地址空间的一部分被当作输入/输出端口空间使用。

在上述方案中，SYSENA信号和SYSENF信号的高低控制系统主板的主从关系，BOOT信号和BOOTBAK信号的高低控制计算机系统从主启动芯片启动或者从备份启动芯片启动。

在上述方案中，备份启动芯片与双串口芯片和X端口总线接，备份启动芯片提供备用的启动代码地址，所述双串口芯片只能供主系统主板连接使用，主启动芯片出现故障不能启动，从备份启动芯片启动计算机系统。

在上述方案中，所述电源转换模块为+27V转+5V/±12V DC/DC电源模块，通过所述电源转换模块将27V电压转换为5V、+12V和-12V，+12V和-12V电压被引到COMPACT PCI接插件上，连接至底板，供给系统设备使用。

在上述方案中，所述两电压转换芯片分别为+5V转+2.5V电源芯片和+5V转+3.3V电源芯片，5V电压经过所述电压转换芯片输出2.5V和3.3V电压。

在上述方案中，对输出电源层进行电源分割，在COMPACT PCI接插件上的电源依次为+5V、+2.5V和+3.3V；其中5V电源供备份启动芯片、第一控制继电器、第二控制继电器、双串口芯片使用，+2.5V和+3.3V同+5V电源一起，通过底板送到系统主板和其它接口板，供系统主板和其它板上的芯片使用。

在上述方案中，电源控制板满足COMPACT PCI 3U标准和COMPACT PCI 6U标准。

综上所述，为了使计算机系统的工作更加可靠，采用了双启动芯片，其中备份启动芯片位于电源/控制板上，所述备份启动芯片，通过X端口总线(PORTX总线)和系统主板相连，目的是提供一个备用的启动代码地址，当位于系统主板上的启动芯片受到意外外损害而不能时正常启动时，可以通过控制命令切换到备份启动芯片启动，这也适应了航天工程高可靠性的特点，提高了所述系统的可靠性和性能，此外电源/控制板产生相应的逻辑控制信号控制系统板的主从关系和启动逻辑，并向计算机系统内各板上的芯片提供所需的电源。

附图说明

图1为本发明实施例的电源/控制板原理图；

图2为本发明实施例的电源/控制板上平面层电源的分割示意图；

图3为本发明实施例的电源/控制板与控制面板的连接示意图；

图4为本发明实施例的控制面板的示意图。

图面说明：

电源/控制板——60；+27V转+5V/±12V DC/DC电源模块——61；

备份启动芯片(BOOTROMBAK芯片)——62；

+5V转+2.5V电源芯片——63；+5V转+3.3V电源芯片——64；

第一控制继电器——65；第二控制继电器——66；

双串口芯片——67；遥测/遥控/电源接口——68；

第一系统主板为主系统板按钮——92；

第二系统板为主系统板按钮——93；

系统复位按钮——94；

主启动芯片启动按钮(BOOTROM芯片启动按钮)——95；

备份启动芯片启动按钮(BOOTROMBAK芯片启动按扭)——96；

第一系统主板为主系统板指示灯——97；

第一系统主板从主启动芯片启动指示灯—98；

第一系统主板从备份启动芯片启动指示灯——99；

第一系统主板电源监测指示灯——100；

第二系统主板为主系统板指示灯——101；

第二系统主板从主启动芯片启动指示灯——102；

第二系统主板从备份启动芯片启动指示灯——103；

第二系统主板电源监测指示灯104。

具体实施方式

本发明实施例中的电源/控制板60，如图1所示，遵循Compact PCI 3U标准，尺寸为160mm×100mm。电源/控制板60上主要包括以下元器件：+27V转+5V/±12VDC/DC电源模块61，备份启动芯片(BOOTROMBAK芯片)62，+5V转+2.5V电源芯片63，+5V转+3.3V电源芯片64，第一控制继电器65，第二控制继电器66、双串口芯片67，遥测/遥控/电源接口68等。其中，备份启动芯片(BOOTROMBAK芯片)通过X端口总线与系统主板相连。X端口为系统主板上CPU中只读存储器的RCS0#地址空间的一部分被当作输入输出端口空间使用，定义为X端口(PORTX)。

当+27V电压通过+27V转+5V/±12V DC/DC模块61后，得到+5V和±12V电压，因为电源/控制板60上没有元器件使用±12V电压，所以±12V被引到Compact PCI接插件上，连接到底板上，供计算机系统中需要的设备使用；位于电源/控制板上的所述BOOTROMBAK芯片、第一控制继电器、第二控制继电器、双串口芯片等元器件都需要+5V供电，所以，在电源层+5V被分为一大块，同时为了便于电源层分割，如图2所示，对Compact PCI的标准电源信号进行了重新定义，重新定义后电源排列比较整齐，在Compact PCI接插件区域，电源从上至下分为+5V、+2.5V、+3.3V，这种分割使得在计算机系统的设计时，底板上的电源层分割也比较整齐划一。

+5V电源分别通过所述+5V转+2.5V电源芯片63和所述+5V转+3.3V电源芯片64转换成+2.5V和+3.3V电压，连同+5V电源一起，通过底板送到系统主板和其它接口板，供系统主板和其它板上的芯片使用。+5V转+2.5V电源芯片63和+5V转+3.3V电源芯片64均采用MAXIM MAX1644电平转换芯片。

如图3所示，电源/控制板60通过遥测/遥控/电源接口68连接到一个控制面板90，通过控制面板90可以发控制命令使电源/控制板60处于一种工作既定的工作状态，同时控制面板90上的指示灯可以显示出目前系统所处的工作状态。

如图4所示，控制面板90上有5个控制按钮和8个状态指示灯，分别是：

5个控制按钮包括，第一系统主板为主系统板按钮92，第二系统板为主系统板按钮93，系统复位按钮94、主启动芯片启动按钮(BOOTROM芯片启动按钮)95、备份启动芯片启动按钮(BOOTROMBAK芯片启动按扭)96。

8个状态指示灯包括，第一系统主板为主系统板指示灯97、第一系统主板从主启动芯片启动指示灯98、第一系统主板从备份启动芯片启动指示灯99、第一系统主板电源监测指示灯100、第二系统主板为主系统板指示灯101、第二系统主板从主启动芯片启动指示灯102、第二系统主板从备份启动芯片启动指示灯103和第二系统主板电源监测指示灯104。

当第一系统主板为主系统板按钮92按下时，通过第一控制继电器66使SYSENA信号为低，计算机系统中第一系统主板为主系统板，第一系统主板为主系统板指示灯97点亮；同样，第二系统主板为主系统板按钮93按下时，通过控制继电器1使SYSENF信号为低，计算机系统中第二系统主板为主系统板，第二系统主板为主系统板指示灯101点亮。

主启动芯片启动按钮95按下时，通过第二控制继电器66使BOOT信号为低，主系统板从主启动芯片启动，如果此时第一系统主板作为主系统主板，则第一系统主板从主启动芯片启动指示灯98点亮，如果此时第二系统主板作为主系统板，则第二系统主板从主启动芯片启动指示灯102点亮。

同样，备份启动芯片启动按扭96按下时，通过第二控制继电器66使BOOTBAK信号为低，主系统板从备份启动芯片启动；如果此时第一系统主板作为主系统板，则第一系统主板从备份启动芯片启动指示灯99点亮，如果此时第二系统主板为主系统板，则第二系统主板从备份启动芯片启动指示灯103点亮。

当系统复位按钮94按下时，整个计算机系统处于复位状态，然后保持上次启动的状态重新启动。

通过控制面板90上的按钮，可以得到预期的结果，通过控制面板90上的指示灯，可以看到系统当前的工作状态。

在电源/控制板60上的备份启动芯片62，通过X端口总线(PORTX总线)和系统主板相连，目的是提供一个备用的启动代码地址，当位于主设备上的主启动芯片受到意外损害而不能时正常启动时，可以通过控制命令切换到备份启动芯片启动，这也适应了航天工程高可靠性的特点。

此外，如果系统的电压的波动超出正常的波动范围，控制面板上的监测灯就会提示报警。

以下为系统正常启动后，控制面板90的工作过程：

1)系统设备正常启动后，按下第一系统主板为主系统板按钮92，设备复位后重新启动，第一系统主板为主系统板指示灯97亮，表明控制命令得到正常响应。

2)再按下主启动芯片启动按钮95，设备复位后重新启动，第一系统主板从主启动芯片启动指示灯98亮，表明控制命令得到正常响应；然后再按下备份启动芯片启动按纽96，设备复位后重新启动，第一系统主板从备份启动芯片启动指示灯103亮，表明控制命令得到正常响应。

3)系统设备正常启动后，按下第二系统主板为主系统板按钮93，设备复位后重新启动，第二系统主板为主系统板指示灯101亮，表明控制命令得到正常响应。

4)再按下主启动芯片启动按扭95，设备复位后重新启动，第二系统主板从主启动芯片启动指示灯102亮，表明控制命令得到正常响应；然后再按下备份启动芯片启动按纽96，设备复位后重新启动，第二系统主板从备份启动芯片启动指示灯103亮，表明控制命令得到正常响应。

5)按下系统复位按纽，设备复位后重新启动，保持上一次的启动状态。

此外，本发明的技术方案同样可应用于Compact PCI 6U标准下，只是板卡的尺寸发生变化。

Claims (8)

1、一种用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，包括一电源转换模块、备份启动芯片、两电压转换芯片、第一控制继电器、第二控制继电器、双串口芯片、遥测/遥控/电源接口，双串口芯片与备份启动芯片通过X端口总线与系统主板相连；所述电源/控制板通过所述遥测/遥控/电源接口输入电压经过电源模块和电压转换芯片输出电压；所述电源/控制板通过遥测/遥控/电源接口输入遥控信号，发出遥测信号，输入遥控信号通过所述第一控制继电器控制SYSENA信号和SYSENF信号的高低，通过所述第二控制继电器控制BOOT信号和BOOTBAK信号的高低；所述电源/控制板与计算机系统基于Compact PCI结构连接。

2、如权利要求1所述的一用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，其特征在于，所述X端口为系统主板上的CPU的只读存储器的RCS0#地址空间的一部分被当作输入/输出端口空间使用。

3、如权利要求1所述的一用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，其特征在于，SYSENA信号和SYSENF信号的高低控制系统主板的主从关系，BOOT信号和BOOTBAK信号的高低控制计算机系统从主启动芯片启动或者从备份启动芯片启动。

4、如权利要求1所述的一用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，其特征在于，备份启动芯片与双串口芯片和X端口总线接，备份启动芯片提供备用的启动代码地址，所述双串口芯片只能供主系统主板连接使用，主启动芯片出现故障不能启动，从备份启动芯片启动计算机系统。

5、如权利要求1所述的一用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，其特征在于，所述电源转换模块为+27V转+5V/±12V DC/DC电源模块，通过所述电源转换模块将27V电压转换为5V、+12V和-12V，+12V和-12V电压被引到COMPACT PCI接插件上，连接至底板，供给系统设备使用。

6、如权利要求1所述的一用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，其特征在于，所述两电压转换芯片分别为+5V转+2.5V电源芯片和+5V转+3.3V电源芯片，5V电压经过所述电压转换芯片输出2.5V和3.3V电压。

7、如权利要求5和6所述的一用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，其特征在于，对输出电源层进行电源分割，在COMPACT PCI接插件上的电源依次为+5V、+2.5V和+3.3V；其中5V电源供备份启动芯片、第一控制继电器、第二控制继电器、双串口芯片使用，+2.5V和+3.3V同+5V电源一起，通过底板送到系统主板和其它接口板，供系统主板和其它板上的芯片使用。

8、如权利要求1所述的一用于嵌入式计算机系统的电源/控制板，其特征在于，电源控制板满足COMPACT PCI 3U标准和COMPACT PCI 6U标准。

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