專利名稱：一種基于cpci總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明提供一種基于CompactPCI (CPCI)總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置。該裝置的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)CPCI總線設(shè)備的高可用模式熱插拔功能，當運行中的設(shè)備上某個板卡出現(xiàn)故障時，可以使系統(tǒng)在不斷電的情況下，取出或更換故障設(shè)備而不影響整個系統(tǒng)的正常運行，在最大程度上降低問題設(shè)備、部件給系統(tǒng)帶來的負面影響。其中涉及電子電路設(shè)計、熱插拔電源管理、CPCI總線控制器的橋接應(yīng)用以及FPGA的時序邏輯設(shè)計。屬于電子設(shè)備、器件熱插拔技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
:熱插拔(Hot swapping and Hot plugging)即“帶電插拔”,其含義在于允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)、不切斷電源的情況下，可以及時取出和更換損壞的硬盤、電源或板卡等部件，同時做到不影響整個系統(tǒng)的正常運行，在最大程度上降低問題設(shè)備、部件給系統(tǒng)帶來的負面影響，從而以此來大幅度提高系統(tǒng)對故障的及時恢復(fù)能力、可擴展性和使用靈活性。配合適當?shù)能浖憧梢栽诓挥藐P(guān)閉電源的情況下插入或拔除支持熱插拔的周邊設(shè)備，而不會導(dǎo)致主機甚至周邊設(shè)備燒毀，并且能夠?qū)崟r偵測及使用新的設(shè)備。相比日常接觸到的隨插即用(Plug-and-Play)類設(shè)備如USB等，CPCI總線設(shè)備的熱插拔相對更復(fù)雜，對軟硬件的要求包含物理層、硬件層以及軟件層三個方面。隨著服務(wù)器應(yīng)用的深入，尤其是在航空測試系統(tǒng)中，服務(wù)器所承受的負荷持續(xù)日漸加重，此外由于用戶對網(wǎng)絡(luò)的依賴性同步增長，進而使用戶對服務(wù)器系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較之從前也大幅度提高。如此一來，用戶系統(tǒng)對于其它配件支持熱插拔技術(shù)的需求日漸提升，服務(wù)器系統(tǒng)主要出現(xiàn)故障的配件不再僅僅是硬盤系統(tǒng)，而更多的情況下可能是內(nèi)存、CPCI適配器、電源和風(fēng)扇等。有時在部分高端多路處理器服務(wù)器系統(tǒng)和群集服務(wù)器系統(tǒng)中，甚至還需要系統(tǒng)支持CPU和服務(wù)器本身的熱插拔功能。CPCI總線設(shè)備的熱插拔技術(shù)在確保服務(wù)器系統(tǒng)可用性方面的應(yīng)用已越來越重要，已成為服務(wù)器的一項標準配置技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
:1、目的:本發(fā)明的目的在于提供一種基于CPCI總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置。該裝置能夠受控于局部總線控制器，當設(shè)備板卡接收到故障檢測信號時可自動關(guān)閉板卡電源進而可以取出、更換板卡，同時不影響系統(tǒng)正常運行，進行更換和維修后再由控制器打開板卡電源，從而達到故障隔離、維護系統(tǒng)正常運行等功能。2、技術(shù)方案:本發(fā)明——一種基于CPCI總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置，使得板卡能夠?qū)崿F(xiàn)高可用模式的熱插拔功能，同時具備實現(xiàn)熱備份功能的硬件基礎(chǔ)。本裝置分為硬件部分和硬件輔助邏輯兩部分，兩者之間的關(guān)系是:硬件部分與輔助邏輯部分二者之間協(xié)同工作以實現(xiàn)總體功能，二者缺一不可。該硬件部分包括基于PCI橋接管理器與FPGA邏輯控制器構(gòu)成的CPCI局部總線架構(gòu)、熱插拔控制模塊、外部應(yīng)用電路及外部端口。其中PCI橋接管理器與FPGA邏輯控制器實現(xiàn)局部總線的管理以及與CPCI總線的通訊功能；熱插拔控制模塊實現(xiàn)由軟件控制的板卡電源管理功能；外部應(yīng)用電路及外部端口可按使用需要進行配置。硬件輔助邏輯部分為FPGA邏輯控制器的時序邏輯控制，用以進行局部總線管理并與CPCI總線進行信息交換，可管理、控制總線上各設(shè)備的熱插拔和熱備份功能。(I)硬件部分:一種基于CPCI總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置的硬件部分，包括PCI總線橋接管理器與FPGA邏輯控制器構(gòu)成的局部總線架構(gòu)、熱插拔控制模塊和外部應(yīng)用電路及外部端口，它們之間的連接關(guān)系、信號走向是:PCI總線橋接管理器橋連接至CPCI計算機總線，其局部總線橋連接至FPGA邏輯控制器，熱插拔控制模塊的電源連接至CPCI總線端并由其供電，同時該模塊的控制端連接至FPGA邏輯控制器，外部應(yīng)用電路及外部端口連接至FPGA邏輯控制器；裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。所述PCI總線橋接管理器與FPGA邏輯控制器構(gòu)成的局部總線架構(gòu)由PCI9054橋接控制器芯片和EP2C8Q208C8N型號的FPGA邏輯控制器構(gòu)成，其之間的關(guān)系是:PCI總線橋接管理器用于連通局部總線與CPCI總線的信息交換通道，轉(zhuǎn)換總線數(shù)據(jù)；FPGA邏輯控制器控制局部總線，接收并執(zhí)行CPCI總線給出的指令。該PCI9054芯片專用于PCI/CPCI總線的橋接控制，連通CPCI總線與局部總線并完成總線信息交換，該FPGA邏輯控制器用于管理局部總線時序、處理信息以及管理外部功能電路，F(xiàn)PGA邏輯控制器的配置芯片采用EPC4SI8N芯片，用于儲存FPGA的時序邏輯程序，當設(shè)備板卡上電時自動向FPGA中下載程序。所述熱插拔控制模塊由熱插拔控制器芯片MIC2580與場效應(yīng)管IRF7413構(gòu)成，其之間的關(guān)系是:場效應(yīng)管IRF7413隔離并控制5V和3.3V電源通道，其控制端連接至熱插拔控制器芯片MIC2580并由其控制；該1002580是專用于CPCI總線設(shè)備熱插拔管理的控制芯片，設(shè)有5V、3.3VU2V和-12V四個電源接口，當其中任一電源發(fā)生電流過載或供電不正?，F(xiàn)象時即切斷電源，同時通過0N#引腳的邏輯電平也可控制四路電源的開啟與關(guān)閉，芯片內(nèi)部集成了 12V和-12V的場效應(yīng)管電路，0N#引腳受控于FPGA邏輯控制器，由軟件控制板卡設(shè)備的電源開啟與關(guān)閉；該場效應(yīng)管IRF7413受控于MIC2580芯片，用于減緩電源開啟和關(guān)閉造成的電流沖擊。該模塊設(shè)計原理如圖2所示。所述外部應(yīng)用電路及外部端口包括外部功能電路，它包括16個光耦隔離芯片HCPL2531，構(gòu)成16路輸入、16路輸出的數(shù)字量輸入輸出通道，可根據(jù)設(shè)備板卡具體功能需求進行配置，由FPGA邏輯控制器進行管理與控制。(2)硬件輔助邏輯部分:一種基于CPCI總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置的輔助邏輯部分，為FPGA的時序邏輯程序設(shè)計，硬件輔助邏輯主要包含頂層模塊與四個子模塊的設(shè)計，其之間的關(guān)系是:頂層模塊與四個子模塊分別連接，四個子模塊并行工作，分別通過各自數(shù)據(jù)接口共享頂層模塊上的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的控制命令讀取或修改頂層模塊中的數(shù)據(jù)；四個子模塊分別為電源控制管理模塊、狀態(tài)顯示模塊、局部總線寫模塊以及局部總線讀模塊，硬件輔助邏輯結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。所述頂層模塊用于協(xié)調(diào)整體時序邏輯、各模塊間配合與協(xié)調(diào)以及各模塊間輸入輸出接口，同時能夠管理并計算數(shù)據(jù)，可集成管理板卡的外部功能。此外，頂層模塊還具備管理板卡工作狀態(tài)的功能，可監(jiān)控板卡當前在總線上的識別狀態(tài)、工作狀態(tài)以及熱插拔狀態(tài)等，如圖4所示為狀態(tài)檢測轉(zhuǎn)換示意圖。所述電源控制管理模塊用于控制3.3V、5V、12V與-12V的開啟與關(guān)閉，當系統(tǒng)下達指令至FPGA邏輯控制器時，通過電源控制管理模塊識別當前電源供電狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)決策并通過狀態(tài)顯示模塊輸出顯示；所述狀態(tài)顯示模塊由FPGA時鐘倍頻至200MHz以上頻率，通過計算產(chǎn)生占空比變化的三路PWM調(diào)制信號，通過該模塊接口連接至紅綠藍(RGB)三色發(fā)光二級管上，從而用較小的電流、較少的資源可以顯示多種不同狀態(tài)，便于調(diào)試與使用。所述局部總線寫模塊以及局部總線讀模塊用于與CPCI總線通訊，通過時序的配合完成與PCI9054芯片的通訊工作，分別實現(xiàn)接收總線下行信息、上傳數(shù)據(jù)信息至總線的功能。3、優(yōu)點及功效:本發(fā)明一種基于CPCI總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置，它是一種動態(tài)電壓快速補償裝置，其優(yōu)點和有益效果如下:(I)在CPCI總線設(shè)備板卡出現(xiàn)故障時，本裝置能夠使系統(tǒng)在不關(guān)閉電源的情況下適時取出更換故障設(shè)備，可有效減少系統(tǒng)停電時間，有益于維護系統(tǒng)正常運行。(2)本裝置可使CPCI設(shè)備板卡同時兼有基本熱插拔、完全熱插拔和高可用模式熱插拔三個等級的功能，可由軟件自動控制板卡電源的開啟和關(guān)閉。(3)該裝置自動化程度較高，可以實現(xiàn)總線設(shè)備故障隔離功能。(4)相比于完全熱插拔的總線設(shè)備裝置，本裝置使用更靈活，具備active/standby模式的熱備份功能硬件基礎(chǔ)。(5)采用相同設(shè)計原理，可以實現(xiàn)多種不同外部功能的CPCI總線設(shè)備板卡設(shè)計，具備高可用模式的熱插拔功能且維護成本較低。(6)可廣泛應(yīng)用，適用于任一 CPCI總線結(jié)構(gòu)的機箱使用。


:圖1本發(fā)明硬件部分結(jié)構(gòu)方框示意2熱插拔控制器模塊結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明FPGA邏輯控制器結(jié)構(gòu)示意4熱插拔控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意5本發(fā)明外部功能模塊結(jié)構(gòu)示意中符號說明如下:CPC1: Compact PCI 緊湊型 PCI 總線；FPGA:現(xiàn)場可編程門陣列
具體實施例方式見圖1——圖5，本發(fā)明——一種基于CPCI總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置，它包括硬件和硬件輔助邏輯兩部分，兩者之間的關(guān)系是:硬件及其輔助邏輯協(xié)同工作以實現(xiàn)總體功能，二者缺一不可。該硬件部分包括基于PCI總線的橋接管理器與FPGA邏輯控制器構(gòu)成的局部總線架構(gòu)、熱插拔控制模塊、外部應(yīng)用電路及外部端口。裝置硬件部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。所述基于PCI總線的橋接管理器與FPGA邏輯控制器構(gòu)成的局部總線架構(gòu)由PCI9054芯片和EP2C8Q208C8N型號的FPGA構(gòu)成。PCI9054芯片專用于PCI/CPCI總線的橋接控制，連通CPCI總線與局部總線并完成總線信息交換，所述FPGA邏輯控制器用于管理局部總線時序、處理信息以及管理外部功能電路，F(xiàn)PGA邏輯控制器的配置芯片采用EPC4SI8N芯片，用于儲存FPGA的時序邏輯程序，當設(shè)備板卡上電時自動向FPGA中下載程序。所述熱插拔控制模塊由熱插拔控制器芯片MIC2580與場效應(yīng)管IRF7413構(gòu)成。MIC2580是專用于CPCI總線設(shè)備熱插拔管理的控制芯片，設(shè)有5V、3.3V、12V和-12V四個電源接口，當其中任一電源發(fā)生電流過載或供電不正?，F(xiàn)象時即切斷電源，同時通過0N#引腳的邏輯電平也可控制四路電源的開啟與關(guān)閉，芯片內(nèi)部集成了 12V和-12V的場效應(yīng)管電路，0N#引腳受控于FPGA控制器，由軟件控制板卡設(shè)備的電源開啟與關(guān)閉；所述場效應(yīng)管IRF7413受控于MIC2580芯片，用于減緩電源開啟和關(guān)閉造成的電流沖擊。該模塊設(shè)計原理及具體連接方法如圖2所示。所述外部應(yīng)用電路及外部端口主要包括外部功能電路，可根據(jù)設(shè)備板卡具體功能需求進行配置，由FPGA邏輯控制器進行管理與控制，具體應(yīng)用時可按圖5所示，將PCI總線橋接管理器、熱插拔控制模塊、FPGA邏輯控制器等通用部分以最小系統(tǒng)的形式設(shè)計，形成固化接口模塊，定義FPGA的外部功能接口規(guī)范從而簡化設(shè)計。該硬件輔助邏輯部分為FPGA的時序邏輯程序設(shè)計，程序主要包含頂層模塊與四個子模塊的設(shè)計，其之間的關(guān)系是:頂層模塊與四個子模塊分別連接，四個子模塊并行工作，分別通過各自數(shù)據(jù)接口共享頂層模塊上的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的控制命令讀取或修改頂層模塊中的數(shù)據(jù)；四個子模塊分別為電源控制管理模塊、狀態(tài)顯示模塊、局部總線寫模塊以及局部總線讀模塊，硬件輔助邏輯結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。所述頂層模塊用于協(xié)調(diào)整體時序邏輯、各模塊間配合與協(xié)調(diào)以及各模塊間輸入輸出接口，同時能夠管理并計算數(shù)據(jù)，可集成管理板卡的外部功能。此外，頂層模塊還具備管理板卡工作狀態(tài)的功能，可監(jiān)控板卡當前在總線上的識別狀態(tài)、工作狀態(tài)以及熱插拔狀態(tài)等，如圖4所示為狀態(tài)檢測轉(zhuǎn)換示意圖。所述電源管理模塊用于控制3.3V、5V、12V與-12V的開啟與關(guān)閉，當系統(tǒng)下達指令至FPGA控制器時，通過電源管理模塊識別當前電源供電狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)決策并通過狀態(tài)顯示模塊輸出顯示；所述狀態(tài)顯示模塊由FPGA時鐘倍頻至200MHz以上頻率，通過計算產(chǎn)生占空比變化的三路PWM調(diào)制信號，通過模塊接口連接至紅綠藍(RGB)三色發(fā)光二級管上，從而用較小的電流、較少的資源可以顯示多種不同狀態(tài)，便于調(diào)試與使用。所述局部總線寫模塊以及局部總線讀模塊用于與CPCI總線通訊，通過時序的配合完成與PCI9054芯片的通訊工作，分別實現(xiàn)接收總線下行信息、上傳數(shù)據(jù)信息至總線的功能。
權(quán)利要求
1.一種基于CPCI總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置，其特征在于:它是由硬件和硬件輔助邏輯兩部分組成，二者之間協(xié)同工作以實現(xiàn)總體功能，二者缺一不可； 所述硬件部分，包括PCI總線橋接管理器與FPGA邏輯控制器構(gòu)成的局部總線架構(gòu)、熱插拔控制模塊和外部應(yīng)用電路及外部端口，PCI總線橋接管理器橋連接至CPCI計算機總線，其局部總線橋連接至FPGA邏輯控制器，熱插拔控制模塊的電源連接至CPCI總線端并由其供電，同時該模塊的控制端連接至FPGA邏輯控制器，外部應(yīng)用電路及外部端口連接至FPGA邏輯控制器； 該PCI總線橋接管理器與FPGA邏輯控制器構(gòu)成的局部總線架構(gòu)由PCI9054橋接控制器芯片和EP2C8Q208C8N型號的FPGA邏輯控制器構(gòu)成，PCI總線橋接管理器用于連通局部總線與CPCI總線的信息交換通道，轉(zhuǎn)換總線數(shù)據(jù)；FPGA邏輯控制器控制局部總線，接收并執(zhí)行CPCI總線給出的指令；該PCI9054芯片專用于PCI/CPCI總線的橋接控制，連通CPCI總線與局部總線并完成總線信息交換，該FPGA邏輯控制器用于管理局部總線時序、處理信息以及管理外部功能電路，F(xiàn)PGA邏輯控制器的配置芯片采用EPC4SI8N芯片，用于儲存FPGA的時序邏輯程序，當設(shè)備板卡上電時自動向FPGA中下載程序； 該熱插拔控制模塊由熱插拔控制器芯片MIC2580與場效應(yīng)管IRF7413構(gòu)成，場效應(yīng)管IRF7413隔離并控制5V和3.3V電源通道，其控制端連接至熱插拔控制器芯片MIC2580并由其控制；該祖02580是專用于CPCI總線設(shè)備熱插拔管理的控制芯片，設(shè)有5V、3.3VU2V和-12V四個電源接口，當其中任一電源發(fā)生電流過載或供電不正常現(xiàn)象時即切斷電源，同時通過ON#引腳的邏輯電平也控制四路電源的開啟與關(guān)閉，芯片內(nèi)部集成了 12V和-12V的場效應(yīng)管電路，ON#引腳受控于FPGA邏輯控制器，由軟件控制板卡設(shè)備的電源開啟與關(guān)閉；該場效應(yīng)管IRF7413受控于MIC2580芯片，用于減緩電源開啟和關(guān)閉造成的電流沖擊；該外部應(yīng)用電路及外部端口包括外部功能電路，它包括16個光耦隔離芯片HCPL2531，構(gòu)成16路輸入、16路輸出的數(shù)字量輸入輸出通道，根據(jù)設(shè)備板卡具體功能需求進行配置，由FPGA邏輯控制器進行管理與控制； 所述硬件輔助邏輯部分 為FPGA的時序邏輯程序設(shè)計，該硬件輔助邏輯部分包含頂層模塊與四個子模塊的設(shè)計，頂層模塊與四個子模塊分別連接，四個子模塊并行工作，分別通過各自數(shù)據(jù)接口共享頂層模塊上的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的控制命令讀取或修改頂層模塊中的數(shù)據(jù)；四個子模塊分別為電源控制管理模塊、狀態(tài)顯示模塊、局部總線寫模塊以及局部總線讀模塊； 該頂層模塊用于協(xié)調(diào)整體時序邏輯、各模塊間配合與協(xié)調(diào)以及各模塊間輸入輸出接口，同時能夠管理并計算數(shù)據(jù)，可集成管理板卡的外部功能；此外，頂層模塊還具備管理板卡工作狀態(tài)的功能，可監(jiān)控板卡當前在總線上的識別狀態(tài)、工作狀態(tài)以及熱插拔狀態(tài)； 該電源控制管理模塊用于控制3.3V、5V、12V與-12V的開啟與關(guān)閉，當系統(tǒng)下達指令至FPGA邏輯控制器時，通過電源控制管理模塊識別當前電源供電狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)決策并通過狀態(tài)顯示模塊輸出顯示； 該狀態(tài)顯示模塊由FPGA時鐘倍頻至200MHz以上頻率，通過計算產(chǎn)生占空比變化的三路PWM調(diào)制信號，通過該模塊接口連接至紅綠藍三色發(fā)光二級管上，從而用較小的電流、較少的資源顯示多種不同狀態(tài)，便于調(diào)試與使用； 該局部總線寫模塊和局部總線讀模塊用于與CPCI總線通訊，通過時序的配合完成與PCI9054芯片的通 訊工作，分別實現(xiàn)接收總線下行信息、上傳數(shù)據(jù)信息至總線的功能。
全文摘要
一種基于CPCI總線設(shè)備板卡的熱插拔電源管理裝置，它是由硬件和硬件輔助邏輯兩部分組成，二者之間協(xié)同工作以實現(xiàn)總體功能，缺一不可。所述硬件部分，包括PCI總線橋接管理器與FPGA邏輯控制器構(gòu)成的局部總線架構(gòu)、熱插拔控制模塊和外部應(yīng)用電路及外部端口，所述硬件輔助邏輯部分為FPGA的時序邏輯程序設(shè)計，它包含頂層模塊與四個子模塊的設(shè)計，頂層模塊與四個子模塊分別連接，四個子模塊分別為電源控制管理模塊、狀態(tài)顯示模塊、局部總線寫模塊以及局部總線讀模塊；本發(fā)明受控于局部總線控制器，當設(shè)備板卡接收到故障檢測信號時自動關(guān)閉板卡電源進而取出、更換板卡，不影響系統(tǒng)正常運行，從而達到故障隔離、維護系統(tǒng)正常運行的功能。
文檔編號G06F13/10GK103198034SQ20131005947
公開日2013年7月10日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者李正天, 范建新, 胡曉光 申請人:北京航空航天大學(xué)