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通用運(yùn)動(dòng)控制卡CompactPCI接口的設(shè)計(jì)
摘要：簡要介紹了基于CompactPCI總線的熱插拔通用運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)CompactPCI總線接口的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，提出了電氣措施和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制 CompactPCI總線 PCI9030 熱插拔
近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展及其對(duì)硬件可靠性要求的提高，特別是帶有多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡提出了新的要求。運(yùn)動(dòng)控制卡應(yīng)具有帶熱插拔功能的CompactPCI總線接口。在這樣的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用可靠性高的嵌入式系統(tǒng)軟件，上位機(jī)只需對(duì)被控對(duì)象實(shí)施總體的控制和管理；而位置反饋信號(hào)的采集、閉環(huán)控制的計(jì)算及控制量的輸出則均可由以DSP為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡完成，極大地提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度。通過帶熱插拔功能的CompactPCI總線接口的上下機(jī)聯(lián)接，使系統(tǒng)具有更高的可靠性和帶電更換故障板卡的能力。
1 CompactPCI接口總線概述
CompactPCI接口總線定義了更加堅(jiān)固耐用的PCI版本。在電氣、邏輯和軟件方面，它與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。CompactPCI接口卡安裝在支架上，并使用標(biāo)準(zhǔn)的Eurocard外型。CompactPCI雖然與標(biāo)準(zhǔn)PCI屬同一標(biāo)準(zhǔn)，二者還是有很大的不同。CompactPCI相對(duì)PCI來講具有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)具有更好的機(jī)械特性。它增強(qiáng)了PCI系統(tǒng)在電信或其它條件惡劣的工業(yè)環(huán)境中的可維護(hù)性和可靠性。(2)采用Eurocard封裝，系統(tǒng)中氣流均勻。(3)CompactPCI連接器的電源和信號(hào)引線支持熱插拔規(guī)范，這對(duì)于容錯(cuò)系統(tǒng)是非常重要的，也是標(biāo)準(zhǔn)PCI所不能實(shí)現(xiàn)的功能。(4)總線易于擴(kuò)展，可同時(shí)支持多達(dá)256個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線設(shè)備。(5)CompactPCI背板的連接器插針分為長針、中長針和短針。長針是一些電源針，最短的針是BD-SEL#，其它總線信號(hào)和部分電源信號(hào)是中長針。連接器插槽J1插孔有長針插孔、中長針和短針插孔，而J2插槽都是中長針插孔。
2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)概述
開放式四軸DSP運(yùn)動(dòng)控制卡經(jīng)12位DAC驅(qū)動(dòng)四個(gè)伺服電機(jī)，并通過CompactPCI總線背板連接器與主機(jī)通信。其中DSP處理器與CompactPCI接口采用PLX公司的PCI9030接口芯片使之和雙口RAM緩沖區(qū)進(jìn)行通信。
PCI9030是業(yè)界首個(gè)支持熱交換的PCI目標(biāo)接口芯片，為CompactPCI接口提供了優(yōu)秀的解決方案。它采用SMARTarget技術(shù)，可以保證高性能的熱交換實(shí)施功能，可以支持具有熱交換功能的PICMG2．1目標(biāo)設(shè)備，并且符合PCIv2．2規(guī)范所規(guī)定的32位33MHz目標(biāo)接口功能，可以獲得高達(dá)132Mbyte／s的PCI突發(fā)傳輸速度，局部總線操作速度最高可達(dá)60MHz，支持5個(gè)局部地址空間到PCI總線地址空間的映射(空間0、1、2、3、4以及1個(gè)擴(kuò)展的ROM)，傳輸?shù)却芷诩翱偩�寬度可編程。另外，PCI9030內(nèi)含預(yù)充電BIOS、早期電源支持、熱交換控制／狀態(tài)寄存器(HS_CSR)和附加引腳資源，可利用這些資源以及ENUM#輸出信號(hào)、彈出開關(guān)和表示用戶插入／取出狀態(tài)的LED燈實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制板卡的帶電熱插拔的軟硬件控制。
圖1
其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由以下幾部分組成：
· 核心處理器TMS320LF2407，主要完成位置速度PID控制、插補(bǔ)迭代運(yùn)算、開關(guān)量輸入和輸出、PLC控制等對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)，另外還完成程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上下機(jī)的通信任務(wù)。
· 模擬量控制電路，將數(shù)字量速度信號(hào)經(jīng)四路12位數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片DAC7725轉(zhuǎn)換為-10V～10V的模擬信號(hào)，輸出到電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊。
· 反饋電路，由兩片CPLD元件EPM7128SLC84構(gòu)成四路12位可逆脈沖計(jì)數(shù)器，對(duì)差分光電編碼器的編碼脈沖進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)編碼器Z相點(diǎn)硬件中斷。
· FLASH電路，用于存儲(chǔ)數(shù)控參數(shù)和數(shù)控指令代碼，也用于緊急情況下保護(hù)數(shù)據(jù)。
· 開關(guān)量電路，包括通用8／8 I／O點(diǎn)、4個(gè)電機(jī)使能輸出、4個(gè)軸的左右極限輸入和原點(diǎn)中斷輸入等電路。
· 通訊電路，通過PCI接口從模式使3．3V芯片PCI9030和雙口RAM芯片70V24與PC機(jī)的CompactPCI總線相連，可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。
本系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)多軸運(yùn)動(dòng)控制硬件系統(tǒng)，具有快速精確的計(jì)算能力以及較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通訊能力，是良好的復(fù)雜數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)。
3 CompactPCI接口的設(shè)計(jì)
CompactPCI接口的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于在硬件插拔過程中，不能對(duì)CompactPCI總線產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。所以應(yīng)具有良好的熱電源切換控制電路和相應(yīng)的總線電路以及便于軟件處理熱插拔過程的控制信號(hào)。
電源控制和PCI9030的接口原理框圖如圖2所示。
3．1 PCI9030芯片熱插拔控制信號(hào)的作用
在Compact PCI規(guī)范中規(guī)定：(1)板卡插入后，硬件
初始化過程中應(yīng)點(diǎn)亮藍(lán)燈；(2)板卡即將拔出，軟件能獲知板卡即將拔出，并做好善后工作后，點(diǎn)亮藍(lán)燈。
PCI9030芯片有BD_SEIL# 輸入信號(hào)引腳、ENUM#輸出信號(hào)引腳、CPCISW輸入信號(hào)引腳和LEDON# 輸出信號(hào)引腳，均用作CompactPn接口熱插拔控制信號(hào)。其功能分別如下：
PCI9030的BD_SEL# 輸入信號(hào)引腳同運(yùn)動(dòng)控制卡CompactPCI接口的引腳BD_SEL#相連，當(dāng)BD_SEL# 信號(hào)變高時(shí)，使PCI9030輸出引腳成高阻態(tài)，保護(hù)芯片。PCI9030的ENUM# 信號(hào)是送到背板的帶上拉的集電極開路信號(hào)；它通知背板主機(jī)CPU板卡是剛剛插入，還是即將拔出。并通知CPU系統(tǒng)配置改變，使CPU同時(shí)執(zhí)行相關(guān)必要的軟件操作(在板卡安裝時(shí)，安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；在移出板卡前，卸載設(shè)備9B動(dòng)程序)。板卡的插入／拔出狀態(tài)是由CPCISW信號(hào)送到PCI9030完成的，這時(shí)，PCI9030通過ENUM#信號(hào)通知背板主饑硬件配置改變情況，同時(shí)主機(jī)CPU執(zhí)行相關(guān)必要的軟件操作。當(dāng)操作結(jié)束時(shí)，主機(jī)CPU通過PCI9030將CPCISW信號(hào)寫入HS-CSR寄存器的相應(yīng)位中，使LEDON# 信號(hào)變化，點(diǎn)亮或熄滅藍(lán)燈，通知板卡可安全取出或已安全插入。另外，PCI9030將板卡插入／拔出的狀態(tài)(即CPCISW信號(hào))寫入HS_CSR寄存器的相應(yīng)位中，軟件可以通過這些位來查詢板卡插入／拔出狀態(tài)，使軟件可采取各種切換措施，也可以通過向寄存器的相應(yīng)位寫1來清除該位。
3．2 熱插拔電源電路的原理設(shè)計(jì)
3．2．1熱插拔電源管理器的確定
熱插拔電源電路需在插拔過程中和正常工作時(shí)，對(duì)CompactPCI接口板電源進(jìn)行監(jiān)控，按一定的速率及時(shí)地上電和斷電，把該電源的情況及時(shí)通知背板系統(tǒng)以便通過軟件進(jìn)行處理；同時(shí)需對(duì)CompactPCI接口板的總線信號(hào)提供預(yù)充電電壓，使CompaetPCI接插件的插針點(diǎn)的預(yù)充電電壓達(dá)到1V，保證CompactPCI接口板在插拔過程中，對(duì)CompactPCI總線的沖擊很�。涣硗庑鑼�(duì)背板的PCIRST信號(hào)和CompaetPCI接口板的電源好壞情況進(jìn)行邏輯處理來產(chǎn)生該接口板上的LOCAL_PCI_RST信號(hào)。為此，熱插拔電源電路采用了芯片LTCl646作為CompactPCI熱插拔電源管理器。它能夠使線路板在運(yùn)行中的CompactPCI總線插槽內(nèi)安全地插入和拔出。兩個(gè)外部N溝道通路晶體管IRF7413控制3．3V和5V電源，使電源能在電流限制或可設(shè)置速率上電。電子電路斷路器可保護(hù)兩組電源不受過流故障情況的損害。
圖2
3．2．2 LTCl646芯片的主要引腳功能
· LTCl646的3．3V和5V輸入主要來自中等長度的電源插針。3．3V和5V連接器長插針在CompactPCI插卡上與中等長度的3．3V和5V電源插針短接在一起，為LTCl646的預(yù)充電電路、VI／O上拉電阻和PCI9030芯片提供初期電源。
CompactPCI背板的連接器插針中有引腳BD_SEL#、HEALTHY# 用于熱插拔電源電路。
· 芯片PWRGD# 信號(hào)引腳輸出指示何時(shí)所有電源電壓都在容許范圍內(nèi)，連接于PWRGD# 引腳的HEALTHY# 信號(hào)把板卡電源情況通知背板主機(jī)，當(dāng)HEALTHY# 信號(hào)變高時(shí)，說明板卡電源情況出了問題。
· 芯片OFF／ON#輸入信號(hào)引腳連接于板卡的BD_SEL#引腳，用來控制開關(guān)板卡電源或?qū)㈦娫磾嗦菲鲝?fù)位。而BD_SEL#信號(hào)應(yīng)通過1．2kΩ電阻上拉至PCI9030的I／O工作電壓VI／O。
· 芯片PRECHARGE引腳用于產(chǎn)生1V的預(yù)充電電壓�？稍诎蹇ú灏芜^程中對(duì)總線I／O引腳施加偏置。板卡上需要進(jìn)行預(yù)充電的CompactPCI總線引腳(即接插件J1、J2與CompactPCI接口器件PCI9030連接的引腳)包括：ADO～AD31、C／BEO#~C／BE3#、PAR、FRA ME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#。LTCl646產(chǎn)生的預(yù)充電信號(hào)經(jīng)過較大的10kΩ電阻上拉至預(yù)充電電壓(PRECHARGE OUT)。而BD_SEL#、ENUM#、INTA#信號(hào)應(yīng)上拉至PCI9030的I／O工作電壓VI／O。
· 芯片的RESETIN#引腳輸入信號(hào)PCI_RST#，在片內(nèi)與HEALTHY#信號(hào)進(jìn)行邏輯結(jié)合，從而在引腳RESETOUT#生成LOCAL_PCI_RST#信號(hào)送到PCI9030芯片的PCI_RST#信號(hào)引腳，用來在任一組電源超出范圍時(shí)對(duì)板卡和芯片PCI9030進(jìn)行復(fù)位。
3．2．3 在LTCl646芯片控制下CompactPCI接口板的上電順序
當(dāng)插卡插入時(shí)，長3．3V和5V連接器插針以及長GND插針首先接觸。LTCl646預(yù)充電電路在插入階段將總線I／O插針偏置為1V。3．3V和5V中等長度的電源插針在插入的下一個(gè)階段接觸，但只要OFF／ON#引腳被1．2kΩ上拉電阻拉到VI／O，線路板電源則被關(guān)斷。在線路板插入的最后階段，BD_SEL# 短連接器插針開始接觸，OFF／ON# 引腳被拉低。這使得通路晶體管導(dǎo)通；并且在內(nèi)部有一個(gè)5μA電流源與TIMER引腳連接。時(shí)每個(gè)通路晶體管的電流開始增加，直至增加到各自的電流限值；然后，3．3V和5V電源被允許按一定的速率上電，一旦兩組電壓都在容差范圍之內(nèi)，HEALTHY# 將拉低，LOCAL_PCI_RST#可自由跟隨PCI_RST#。
3．2．4 在LTCl646芯片控制下CompactPCI接口板的斷電順序
當(dāng)BD_SEL# 被拉高時(shí)則開始一個(gè)斷電過程。LTCl646內(nèi)部開關(guān)被連接于每
個(gè)輸出電源電壓引腳，使旁路電容器向地放電。TIMER引腳立即被拉低。GATE引腳被一個(gè)200μA的電流源拉低， 以防止3．3V和5V電源上的負(fù)載電流同時(shí)變?yōu)榱銖亩鴮?duì)電源電壓造成干擾。當(dāng)任一輸出電壓跌落在門限以下時(shí)，HEALTHY# 引腳被拉高，LOCAL_PCI_RST# 將被確定為低。
一旦斷電過程完成，插卡就可以從插槽內(nèi)取出。在拔出期間，預(yù)充電電路繼續(xù)將總線I／O插針偏置為1V，直到5V和3．3V長連接器插針分開。
3．3 CompactPCI接口設(shè)計(jì)的其它電氣措施
· 熱插拔板卡在帶電拔插過程中，為了保護(hù)板卡免遭靜電損壞，必須進(jìn)行靜電放電。所以，必須在板卡上設(shè)計(jì)放電條。
· 為了減小板卡上的CompactPCI總線的信號(hào)線分支對(duì)總線的影響，必須對(duì)CompactPCI總線信號(hào)進(jìn)行串聯(lián)電阻匹配。需要加串聯(lián)匹配電阻的引腳包括：AD0～AD31、C／BE0#～C／BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR# 以及 INTA#。根據(jù)CompactPCI規(guī)范，對(duì)CompactPCI的信號(hào)線長度和到預(yù)充電電阻的分支線的長度必須進(jìn)行限制(PCB的布線特征阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)為65Ω±10％)。線的長度越短，對(duì)CompactPCI總線的沖擊越小。在CompactPCI接口板上，對(duì)于預(yù)充電的信號(hào)，從接插件J1n或J2到PCI9030器件管腳，總的信號(hào)線長度應(yīng)小于38．1mm。其中，從接插件插針到串聯(lián)電阻的PCB連線長度應(yīng)小于15．2mm，預(yù)充電電阻的分支長度最好是零，最長不能超過2．5mm。
· 為了減少插拔過程中由電容產(chǎn)生的浪涌電流并避免接插件燒損，必須限制濾波電容總量。
位置數(shù)控板卡的CompactPCI接口的設(shè)計(jì)是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然要求，通過帶熱插拔的Compact-PCI接口總線的上下機(jī)聯(lián)接，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有更高的可靠性和帶電更換故障板卡的能力。
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