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通用運動(dòng)控制卡COMPACTPCI接口的設計

深圳市慧鼎創(chuàng )科技有限公司 人氣:2878 發(fā)表時(shí)間:2015-06-17
  近年來(lái),隨著(zhù)嵌入式系統的快速發(fā)展及其對硬件可靠性要求的提高,特別是帶有多個(gè)運動(dòng)控制卡的網(wǎng)絡(luò )運動(dòng)控制系統的發(fā)展,對運動(dòng)控制卡提出了新的要求。運動(dòng)控制卡應具有帶熱插拔功能的CompactPCI總線(xiàn)接口。在這樣的運動(dòng)控制系統中,采用可靠性高的嵌入式系統軟件,上位機只需對被控對象實(shí)施總體的控制和管理;而位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制的計算及控制量的輸出則均可由以DSP為核心的運動(dòng)控制卡完成,極大地提高了運算速度和控制響應速度。通過(guò)帶熱插拔功能的CompactPCI總線(xiàn)接口的上下機聯(lián)接,使系統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(xiàn)概述

  CompactPCI接口總線(xiàn)定義了更加堅固耐用的PCI版本。在電氣、邏輯和軟件方面,它與PCI標準完全兼容。CompactPCI接口卡安裝在支架上,并使用標準的Eurocard外型。CompactPCI雖然與標準PCI屬同一標準,二者還是有很大的不同。CompactPCI相對PCI來(lái)講具有很多優(yōu)點(diǎn):(1)具有更好的機械特性。它增強了PCI系統在電信或其它條件惡劣的工業(yè)環(huán)境中的可維護性和可靠性。(2)采用Eurocard封裝,系統中氣流均勻。(3)CompactPCI連接器的電源和信號引線(xiàn)支持熱插拔規范,這對于容錯系統是非常重要的,也是標準PCI所不能實(shí)現的功能。(4)總線(xiàn)易于擴展,可同時(shí)支持多達256個(gè)標準的PCI總線(xiàn)設備。(5)CompactPCI背板的連接器插針?lè )譃殚L(cháng)針、中長(cháng)針和短針。長(cháng)針是一些電源針, 短的針是BD-SEL#,其它總線(xiàn)信號和部分電源信號是中長(cháng)針。連接器插槽J1插孔有長(cháng)針插孔、中長(cháng)針和短針插孔,而J2插槽都是中長(cháng)針插孔。

  2 系統的硬件結構概述

  開(kāi)放式四軸DSP運動(dòng)控制卡經(jīng)12位DAC驅動(dòng)四個(gè)伺服電機,并通過(guò)CompactPCI總線(xiàn)背板連接器與主機通信。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緩沖區進(jìn)行通信。

  PCI9030是業(yè)界一個(gè)支持熱交換的PCI目標接口芯片,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目標設備,并且符合PCIv2.2規范所規定的32位33MHz目標接口功能,可以獲得高達132Mbyte/s的PCI突發(fā)傳輸速度,局部總線(xiàn)操作速度 高可達60MHz,支持5個(gè)局部地址空間到PCI總線(xiàn)地址空間的映射(空間0、1、2、3、4以及1個(gè)擴展的ROM),傳輸等待周期及總線(xiàn)寬度可編程。另外,PCI9030內含預充電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、彈出開(kāi)關(guān)和表示用戶(hù)插入/取出狀態(tài)的LED燈實(shí)現運動(dòng)控制板卡的帶電熱插拔的軟硬件控制。

  其硬件結構框圖如圖1所示。該系統由以下幾部分組成:
·?核心處理器TMS320LF2407,主要完成位置速度PID控制、插補迭代運算、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出、PLC控制等對實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù),另外還完成程序和數據存儲和上下機的通信任務(wù)。
·?模擬量控制電路,將數字量速度信號經(jīng)四路12位數/模轉換芯片DAC7725轉換為-10V~10V的模擬信號,輸出到電機伺服驅動(dòng)模塊。
·?反饋電路,由兩片CPLD元件EPM7128SLC84構成四路12位可逆脈沖計數器,對差分光電編碼器的編碼脈沖進(jìn)行循環(huán)計數,可實(shí)現編碼器Z相點(diǎn)硬件中斷。
·?FLASH電路,用于存儲數控參數和數控指令代碼,也用于緊急情況下保護數據。
·?開(kāi)關(guān)量電路,包括通用8/8?I/O點(diǎn)、4個(gè)電機使能輸出、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(guò)PCI接口從模式使3.3V芯片PCI9030和雙口RAM芯片70V24與PC機的CompactPCI總線(xiàn)相連,可以進(jìn)行高速數據傳輸。
本系統是一個(gè)閉環(huán)多軸運動(dòng)控制硬件系統,具有快速精確的計算能力以及較強的數據通訊能力,是良好的復雜數控系統平臺。

3?CompactPCI接口的設計

CompactPCI接口的設計要點(diǎn)在于在硬件插拔過(guò)程中,不能對CompactPCI總線(xiàn)產(chǎn)生較大的沖擊,不能影響CompactPCI總線(xiàn)上數據傳輸的正確。所以應具有良好的熱電源切換控制電路和相應的總線(xiàn)電路以及便于軟件處理熱插拔過(guò)程的控制信號。

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的作用
在Compact?PCI規范中規定:(1)板卡插入后,硬件初始化過(guò)程中應點(diǎn)亮藍燈;(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)亮藍燈。
PCI9030芯片有BD_SEIL#?輸入信號引腳、ENUM#輸出信號引腳、CPCISW輸入信號引腳和LEDON#?輸出信號引腳,均用作CompactPn接口熱插拔控制信號。其功能分別如下:

PCI9030的BD_SEL#?輸入信號引腳同運動(dòng)控制卡CompactPCI接口的引腳BD_SEL#相連,當BD_SEL#?信號變高時(shí),使PCI9030輸出引腳成高阻態(tài),保護芯片。PCI9030的ENUM#?信號是送到背板的帶上拉的集電極開(kāi)路信號;它通知背板主機CPU板卡是剛剛插入,還是即將拔出。并通知CPU系統配置改變,使CPU同時(shí)執行相關(guān)必要的軟件操作(在板卡安裝時(shí),安裝設備驅動(dòng)程序;在移出板卡前,卸載設備9B動(dòng)程序)。板卡的插入/拔出狀態(tài)是由CPCISW信號送到PCI9030完成的,這時(shí),PCI9030通過(guò)ENUM#信號通知背板主饑硬件配置改變情況,同時(shí)主機CPU執行相關(guān)必要的軟件操作。當操作結束時(shí),主機CPU通過(guò)PCI9030將CPCISW信號寫(xiě)入HS-CSR寄存器的相應位中,使LEDON#?信號變化,點(diǎn)亮或熄滅藍燈,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)寫(xiě)入HS_CSR寄存器的相應位中,軟件可以通過(guò)這些位來(lái)查詢(xún)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(guò)向寄存器的相應位寫(xiě)1來(lái)清除該位。

3.2?熱插拔電源電路的原理設計

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(guò)程中和正常工作時(shí),對CompactPCI接口板電源進(jìn)行監控,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)通知背板系統以便通過(guò)軟件進(jìn)行處理;同時(shí)需對CompactPCI接口板的總線(xiàn)信號提供預充電電壓,使CompaetPCI接插件的插針點(diǎn)的預充電電壓達到1V,保證CompactPCI接口板在插拔過(guò)程中,對CompactPCI總線(xiàn)的沖擊很??;另外需對背板的PCIRST信號和CompaetPCI接口板的電源好壞情況進(jìn)行邏輯處理來(lái)產(chǎn)生該接口板上的LOCAL_PCI_RST信號。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(xiàn)路板在運行中的CompactPCI總線(xiàn)插槽內安全地插入和拔出。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置速率上電。電子電路斷路器可保護兩組電源不受過(guò)流故障情況的損害。

3.2.2?LTCl646芯片的主要引腳功能

·?LTCl646的3.3V和5V輸入主要來(lái)自中等長(cháng)度的電源插針。3.3V和5V連接器長(cháng)插針在CompactPCI插卡上與中等長(cháng)度的3.3V和5V電源插針短接在一起,為L(cháng)TCl646的預充電電路、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#?信號引腳輸出指示何時(shí)所有電源電壓都在容許范圍內,連接于PWRGD#?引腳的HEALTHY#?信號把板卡電源情況通知背板主機,當HEALTHY#?信號變高時(shí),說(shuō)明板卡電源情況出了問(wèn)題。
·?芯片OFF/ON#輸入信號引腳連接于板卡的BD_SEL#引腳,用來(lái)控制開(kāi)關(guān)板卡電源或將電源斷路器復位。而B(niǎo)D_SEL#信號應通過(guò)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的預充電電壓??稍诎蹇ú灏芜^(guò)程中對總線(xiàn)I/O引腳施加偏置。板卡上需要進(jìn)行預充電的CompactPCI總線(xiàn)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)生的預充電信號經(jīng)過(guò)較大的10kΩ電阻上拉至預充電電壓(PRECHARGE?OUT)。而B(niǎo)D_SEL#、ENUM#、INTA#信號應上拉至PCI9030的I/O工作電壓VI/O。
·?芯片的RESETIN#引腳輸入信號PCI_RST#,在片內與HEALTHY#信號進(jìn)行邏輯結合,從而在引腳RESETOUT#生成LOCAL_PCI_RST#信號送到PCI9030芯片的PCI_RST#信號引腳,用來(lái)在任一組電源超出范圍時(shí)對板卡和芯片PCI9030進(jìn)行復位。

3.2.3在LTCl646芯片控制下CompactPCI接口板的上電順序?

當插卡插入時(shí),長(cháng)3.3V和5V連接器插針以及長(cháng)GND插針一先接觸。LTCl646預充電電路在插入階段將總線(xiàn)I/O插針偏置為1V。3.3V和5V中等長(cháng)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(xiàn)路板電源則被關(guān)斷。在線(xiàn)路板插入的 后階段,BD_SEL#?短連接器插針開(kāi)始接觸,OFF/ON#?引腳被拉低。這使得通路晶體管導通;并且在內部有一個(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(kāi)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,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BD_SEL#?被拉高時(shí)則開(kāi)始一個(gè)斷電過(guò)程。LTCl646內部開(kāi)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電源上的負載電流同時(shí)變?yōu)榱銖亩鴮﹄娫措妷涸斐筛蓴_。當任一輸出電壓跌落在門(mén)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(guò)程完成,插卡就可以從插槽內取出。在拔出期間,預充電電路繼續將總線(xiàn)I/O插針偏置為1V,直到5V和3.3V長(cháng)連接器插針?lè )珠_(kāi)。

3.3?CompactPCI接口設計的其它電氣措施

·?熱插拔板卡在帶電拔插過(guò)程中,為了保護板卡免遭靜電損壞,必須進(jìn)行靜電放電。所以,必須在板卡上設計放電條。
·?為了減小板卡上的CompactPCI總線(xiàn)的信號線(xiàn)分支對總線(xiàn)的影響,必須對CompactPCI總線(xiàn)信號進(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CompactPCI規范,對CompactPCI的信號線(xiàn)長(cháng)度和到預充電電阻的分支線(xiàn)的長(cháng)度必須進(jìn)行限制(PCB的布線(xiàn)特征阻抗應設計為65Ω±10%)。線(xiàn)的長(cháng)度越短,對CompactPCI總線(xiàn)的沖擊越小。在CompactPCI接口板上,對于預充電的信號,從接插件J1n或J2到PCI9030器件管腳,總的信號線(xiàn)長(cháng)度應小于38.1mm。其中,從接插件插針到串聯(lián)電阻的PCB連線(xiàn)長(cháng)度應小于15.2mm,預充電電阻的分支長(cháng)度 好是零, 長(cháng)不能超過(guò)2.5mm。?
·?為了減少插拔過(guò)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。

位置數控板卡的CompactPCI接口的設計是網(wǎng)絡(luò )運動(dòng)控制系統發(fā)展的必然要求,通過(guò)帶熱插拔的Compact-PCI接口總線(xiàn)的上下機聯(lián)接,使網(wǎng)絡(luò )運動(dòng)控制系統具有更高的可靠性和帶電更換故障板卡的能力。