基于AT96總線的熱插拔設計

伍巧鳳，孫詩炎，王明星，賀 理，李 昱

（核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

熱插拔即帶電插拔，熱插拔功能就是允許用戶在不關閉系統，不切斷電源的情況下取出和更換損壞的硬盤、電源或板卡等部件，從而提高了系統對故障的及時恢復能力、擴展性和靈活性等。數字化儀控平臺[1]采用AT96總線為ISA總線的兼容協議，不支持熱插拔功能[2]，并且設備熱插拔初期會產生非常大的瞬態電流，對電源產生干擾，干擾的存在會使負載降低。因此，需要采用專門的熱插拔設計，讓熱插拔后系統能及時復位[3]。系統從熱插拔對供電的影響出發，在基于AT96總線的基礎上提出了一種可靠性的熱插拔設計方案，有效地解決了熱插拔瞬間沖擊和振蕩問題。

1 功能單元熱插拔對系統供電的影響

功能單元在熱插拔上電時對系統供電的影響主要包括以下兩點：

1）在熱插拔時，連接器的機械觸點在接觸瞬間會出現彈跳，引起電源振蕩。如圖1所示。

這個振蕩過程會引起系統電源跌落，引起誤碼或系統重啟，也可能會引起連接器打火，引發火災。

解決的辦法就是延遲連接器的通電時間，在連接器抖動的那十幾毫秒內（t1～t2）不給連接器通電，等插入穩定后（t2后）再通電，即防抖動延時。

圖1 上電電流振蕩圖Fig.1 Power-on current oscillation diagram

圖2 上電沖擊電流圖Fig.2 Power-on impact current diagram

圖3 IO功能單元的AT96接插件針結構圖Fig.3 AT96 connector needle structure diagram of IO function unit

2）熱插拔時，由于系統大容量儲能電容的充電效應，系統中會出現很大的沖擊電流，電容在充電時，電流呈指數趨勢下降，如圖2所示。所以在剛開始充電的時候，其沖擊電流是非常大的。

此沖擊電流可能會燒毀設備電源保險管，所以在熱插拔時必須對沖擊電流進行控制，使其按理想的趨勢變化，如圖2右側所示，圖中0～t1為電源緩啟動時間。

綜上所述，熱插拔電路必須考慮防抖動延時上電和控制輸入電流上升斜率，采用緩啟動電路設計。

2 熱插拔技術方案

2.1 定制的AT96接插件

IO功能單元通過接插件與背板相連，從而實現與控制器的數據交互。IO功能單元的熱插拔設計采用定制的AT96接插件，即長短針設計，不同的功能采用不同的針設計。該定制接插件針結構分為3種長度，長針為電源針，正常長度為信號針，短針為熱插拔的KEY針，其示意圖如圖3所示[4]。

長針為電源針，可以確保插件在插入時，優先接入電源信號，在插件拔出時，最后斷開電源信號。正常長度的針為AT96總線的其他信號使用，短針是熱插拔的Key信號針，該管腳在功能單元上為上拉信號，在背板上為對地短路，在板卡剛插入時，雖然電源和信號針都已經插入背板上時，由于該管腳最短，還未接入。因此，為高電平，Key信號依然保持電路板接口信號為三態信號模式；當該管腳被接入背板后，Key信號為低電平，此時板卡才開始啟動MCU復位信號，進入功能單元上電和工作狀態。

在功能單元拔出時，由于KEY信號針最短，在其他信號還正常的情況下，Key信號已經轉為高電平。因此，該板卡已經知道一個拔出操作開始了，故根據功能單元功能要求，做好掉電拔出的信號處理工作（該工作需要在較短時間之內完成，可能拔出時間只有10ms左右），將所有總線IO口切換為三態模式，同時降低板卡電源開銷，以減少拔出時對總線沖擊。

2.2 限流保護和延遲斜率上電

由上節可知，功能單元在上電時，會對總線產生電源沖擊，有可能導致總線訪問錯誤，甚至整個總線電源保護停電。因此，上電控制電路是非常重要的一個電路，該電路負責控制上電的斜率，從而減少對總線電源的沖擊，以避免總線受到沖擊而導致系統故障。

圖4中為一個電源二級防護電路，一級防護電路主要靠氣體放電管抑制電壓，當兩極間電壓足夠大時，極間間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態轉化為導電狀態，類似短路，通路狀態下兩極間維持的電壓很低。因此，可以起到保護后級電路的效果，而二級防護電路主要依靠SMAJ5.0CA起保護作用，能有效地保護后級電路，FA1和FA2為1.5A自恢復保險絲，可以達到限流保護的作用，防止過流對板卡進行的損壞。該電路可有效地降低熱插拔過程中，浪涌電流對電路造成的影響。

圖4 二級防護電路Fig.4 2 Level protection circuit

圖5 斜率上電電路Fig.5 Slope power circuit

圖6 上電時序控制圖Fig.6 Power-on timing control diagram

在防雷防浪涌電路后端，設計斜率上電電路，通過MIC2505電路控制芯片來實現電壓的斜率控制，其電路圖如圖5所示。MIC2505具有電流限制和熱關斷功能，其輸入電壓在2.7V～7.5V之間，其上電時間由電容CA29的容值決定，其電容值與上電時間成正比。由此，可以通過調節CA29的電容容值大小，從而控制電源的上電時間，減少熱插拔的影響。

2.3 上電時序

如果平臺中所有功能單元均插好的情況下上電，雖然每個功能單元都有斜率上電控制，但由于功能單元太多，如果同時上電，依然會對電源沖擊過大，造成故障甚至引起設備損壞。為了解決這個問題，需要控制各個功能單元的上電時序，使其錯開，以降低對電源的沖擊造成的不良影響。

圖6為上電時序控制圖，從圖中可知，功能單的基礎電源部分為5V和3.3V，其中5V從外部引入，在其基礎上增加了一個斜率上電控制電路，其后通過數字電源轉換成3.3V供內部數字電路使用。

當功能單元插入上電，或系統開機上電時，斜率上電控制電路將控制上電斜率，以降低電流開銷。上電結束后，所有的3.3V和5V電源均已完成上電。需要指出的是，雖然3.3V和5V電源均已完成上電，但各個器件依然受到CPLD邏輯控制，MCU此時依然處于復位狀態，各個相關IC通過使能控制，其也依然處于高阻的不工作狀態。因此，此時的上電電流實際上是比較小的，各個插槽的所有功能單元一起上電，其電流沖擊也依然較小，不會對電源造成很大沖擊。為了各個板卡自然錯開上電，設定一個固定延遲時間。因此，各個板卡將自動錯開上電時間。

延遲時間到后，CPLD控制電路將依次打開MCU的復位信號，各個IC的使能信號，以及其他電源的上電控制信號，完成功能單元的實際上電。其中部分接口IC的使能信號，還受到MCU的軟件控制，MCU在完成自檢后，方才發送允許信號給CPLD，這些接口IC才能被允許使能工作。

3 結論

系統根據AT96總線的特點，設計了一種合理、可靠的熱插拔設計方案，使得基于AT96總線的數字化儀控平臺具備快速恢復能力和較好的擴展能力。該方案采用定制AT96接插件，通過長短針設計，使得功能單元在插入或拔出時，各種信號可分時加載；通過二級防護電路、斜率上電電路和上電時序控制系統上電時間，消除浪涌對供電系統的影響，使得功能單元能夠在帶電的背板上安全插拔。