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通信设备热插拔硬件方案设计

作者: 发布时间:2020-01-20 16:46:24 阅读: 42 次

摘要:在电子技术与通讯产业迅速发展的今天,如何使系统本身在具备较高可靠性能的同时,能够快速应对突发事件。即当设备某一板卡出现异常时,在不影响其它板卡正常工作的前提下,对出现异常的板卡进行维修或更换,这就要求板卡支持在线热插拔功能。本文给出了一种有效的在线热插拔硬件设计方案,并有效解决了热插拔瞬间抖动对系统造成的严重影响。

关键词:通信设备; 热插拔; 板卡;抖动

 

Hot-plug hardware scheme for Communication equipment

Abstract: With the development of electronic technology and communication technology, the system needs to have high reliability, and system can act rapidly when facing emergency. That requires when one card is failed, this card can be repaired or replaced online, and there should be no impact on the function of other card during the maintenance. So the hot plug operation online is required. This article introduces an effective hardware scheme about hot plug online, and gives a solution to solve the impact on the system from the jitter generated during the hot plug operation.

Key words: Communication equipment; Hot-plug; Card; Jitter

 

电信与数据通讯产业的迅速发展,促使用户对电信与数据通讯设备提出了更苛刻的要求,要求设备每年只有几分钟、甚至更少的停机时间。所谓FIVE NINES”(99.999%运行时间)的指标已逐渐成为电信行业的一项标准要求,这就意味着除了系统本身要具备很高的可靠性外,万一系统出现问题,必须能在很短的时间内恢复正常,而要满足这些需要,系统的各个板卡必须支持热插拔功能。也就是说,当某一板卡硬件出现异常时,在不影响其它板卡正常工作的前提下能够带电进行维修或更换[1]。通常,一个完整的热插拔系统包括热插拔系统的硬件和支持热插拔的软件。本文在简单分析热插拔原理的基础上,给出了一种可靠的热插拔硬件设计方案,并有效分析和解决了热插拔瞬间出现的抖动问题[2]

1.热插拔原理[3]

热插拔是指在带电运行的背板中插入或移除电路板。这种技术可在维持系统背板电压下,更换发生故障的电路板,并保证系统中其他正常的电路板仍可继续运作。热插拔技术的出现提高了系统的扩展性、灵活性以及对灾难的及时恢复能力。一般来说,热插拔平台主要包括三个部分:热插拔控制器、总线BUFFER和背板接插件长短引脚。

热插拔控制器的主要作用是控制上电时间和时序,以受控方式来启动或关断板卡上的电源电压,使板卡能够在带电背板上安全的插入或拔出。

总线BUFFER的主要作用是保护板卡硬件在插入或者拔出背板时不被损坏,因为在板卡插入或者拔出背板的瞬间,许多不可预知的尖锋脉冲可能会损坏板卡上芯片的I/O管脚[4]

背板连接器上的针式引脚有三组长度: 长脚(LONG),为提前电源/地线引脚;中长脚(MEDIUM),为信号线引脚和主电源/地线引脚;短脚(SHORT),为使能引脚。在板卡插入或拔出背板时,各种信号可分时加载[5]

2.热插拔方案设计

目前,一般的热插拔方案中,热插拔控制器都是由分离元器件搭建而成的,这样的电路由于元器件的离散特性,很容易导致整个系统工作不稳定,而且总线BUFFER也没有采取有效的开关控制方案。为了解决目前存在的问题,本文提出了一种有效的设计方案。

在本方案中,热插拔控制器选用Maxim公司的MAX5920B集成芯片。通过外围电路的合理设计实现对上电时间和时序的有效控制,具体实现框图如图1所示。

1中,MAX5920B为-48V热插拔控制器[6],通过一个外部的N沟道通路晶体管对-48V电源进行控制,UV/OV管脚由背板接插件的最短管脚(0V)控制,只有当板卡完全插入背板后,热插拔控制器的输出GATE信号才有效;板卡电流的大小由晶体管Q1控制,与热插拔控制器无关;PWRGD信号高电平有效,该信号控制DCDC使能端。即只有板卡上电后DCDC才开始工作。

同时,热插拔控制器的线路板布局也至关重要,较短的引线能够使控制器迅速响应短路或其它故障事情。热插拔控制器需要靠近线卡的边缘安装,采用大面积接地技术以减少寄生阻抗和电感;流过大电流的引线要尽可能宽,以减小寄生电感的产生;如果需要外部检流电阻时,检流电阻的引线要尽可能短。而且要保证MAX5920BH与外部有良好的热传导性。

 

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1  热插拔控制器的实现框图

板卡接插件的设计如图2所示。所有接插件均选用Molex公司的VHDM系列接插件[7]VHDM背板连接器有两个端子,为公端和母端,分别连接两块PCB板。公端、母端通过压缩针上的“鱼眼”部分与PCB板孔相连接。VHDM连接器还包括为客户定制的电源模块和导向模块,共同构成整个模块化系统。

 

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2 背板接插件

在本方案中,高速信号选用VHDM-HSD接插件;低速信号选用VHDM-L接插件;电源选用VHDM电源接插件。每组电源由上下两个针组成,两个针的长度不一样,长针长度为10.5mm,短针长度为7.5mm0V的短针在热插拔中充当热插拔EN管脚。

VHDM-HSDVHDM-L针长度一样,均为4.75mmVHDM-HSD的地线屏蔽长度为5.25mm,由于信号的长度比地线屏蔽长度短,因此可以保证地线比差分信号先接触。

当一块板卡插入背板时,首先提前地线和提前电源加载,紧接着信号线和主电源地加载,等到以上两组信号全部加载完成后,紧接着使能信号打开热插拔控制器芯片并开启总线BUFFER芯片,板卡上电,通知系统有新板插入系统,开始由硬件或者软件控制随后的连接过程。

总线BUFFER,在总线传输中起到数据暂存缓冲的作用。本方案中,选择PERICM公司的PI74FCT3244集成芯片。PI74FCT32443.3V8位缓冲器驱动器,它具有高速性、低功耗性、较小的信号反射性、良好的输出驱动能力等优点,非常适合本方案的设计要求。

3.抖动消除

板卡在带电背板上插入或者拔出时,更大的风险就是在板卡和背板接插件接触瞬间,信号线上会产生瞬间不可预知的振荡脉冲,该振荡脉冲会对系统造成严重破坏,所以,在设计热插拔系统时,必须消除抖动对系统的影响[8]

在本方案中,经过实际测试,热插拔瞬间产生的抖动时间大概在1ms以内,一般为200us左右。抖动波形如图3所示。                      

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3 抖动波形图

考虑到特殊情况,在设计抖动消除电路时,门限值应大于1ms,经过实验,10ms的门限值相对比较稳定,同时时延也可以接受。

抖动消除电路有多种不同的实现方式,在本方案中,采用PLD芯片数字电路,既简单又可以做到在线调整消抖门限,而且实现成本非常低。PLD芯片数字消抖电路的具体实现过程如图4所示。

4中,CLK时钟信号的周期为1.25msSRR8模块为8位的移位寄存器,DFF1模块为同步清零、同步置位的D触发器,其清零和置位端均为高电平使能有效。

DATAIN信号在CLK时钟脉冲作用下,经过移位寄存器进行采样,如果连续8次(门限:1.25ms×810ms)采样值均为低电平,则这8次采样值经或非逻辑门后的输出信号始终为高电平,该电平使DFF1模块的清零端(sclr)使能有效,在CLK脉冲的同步作用下,迫使触发器清零,则DATAOUT输出一个低电平信号。如果连续8次采样均为高电平,8次采样值经与逻辑门后的输出信号始终为高平,该电平使D触发器的置位端(sset)使能有效,在CLK的同步作用下,DATAOUT输出高电平信号。除了上面的两种情况(即连续8次采样全为低电平或全为高电平)外,其它采样值经过逻辑门后,均为低电平,使触发器的清零端和置位端始终处于使能无效状态,D触发器保持不变。即对于DATAIN小于10ms的抖动信号,DATAOUT则没有变化,这样就起到了消除抖动的目的。

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4  PLD消除抖动数字电路

4.结束语

总之,该热插拔方案的设计,有效抑制了在线板卡和背板接插件接触瞬间,信号线上产生的不可预知的振荡脉冲,避免了振荡脉冲对设备造成的严重影响,使设备在正常运行情况下能够随意更换板卡而不受影响,提高了设备的可靠性和灵活性。本方案已经实际应用于各种机架式数据通信设备中,到目前为止,没有出现系统复位死机和接插件损坏等现象,整个系统运行稳定可靠。

 

参考文献:

[1] 陈艳峰,Compact PCI热插拔技术研究现状评述[J],测控技术,20022110):1-5.

[2] Lloyd TL. Digital Fundamentals (Seventh Edition) [M].北京:科学出版社,2002.

[3] 郭东文,金勇,CompactPCI热插拔原理与实现[A]2007通信理论与技术新发展——第十二届全国青年通信学术会议论文集(上册)[C]2007.

[4] 熊庭刚,马中,基于CPCI热切换技术实现高可用适度并行系统[J],计算机工程与设计,2005-9.

[5] Jeff C. Hot swap for compact PCE vendors: a tricky game[J]. Computer Design, 1997,36(4).

[6] MAX5920 DShttp://www.maximintegrated.com2013-01.

[7] Molex VHDM® H-Series Backplane Connector Systemhttp://www.winmax.cc2012-11.

[8] Don Anderson Ts . PCI system architecture(4 th Edition) [M],北京:电子工业出版社,2000.