近年來(lái)，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(guò)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(lái)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?lè)譃殚L(zhǎng)針、中長(zhǎng)針和短針。長(zhǎng)針是一些電源針， 短的針是BD-SEL#，其它總線信號(hào)和部分電源信號(hào)是中長(zhǎng)針。連接器插槽J1插孔有長(zhǎng)針插孔、中長(zhǎng)針和短針插孔，而J2插槽都是中長(zhǎng)針插孔。

　　2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)概述

　　開(kāi)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(guò)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)界一個(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 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(kāi)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。

　　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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)PCI9030將CPCISW信號(hào)寫(xiě)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(xiě)入HS_CSR寄存器的相應(yīng)位中，軟件可以通過(guò)這些位來(lái)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(guò)向寄存器的相應(yīng)位寫(xiě)1來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程中，對(duì)CompactPCI總線的沖擊很小；另外需對(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(lái)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(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(zhǎng)度的電源插針。3．3V和5V連接器長(zhǎng)插針在CompactPCI插卡上與中等長(zhǎng)度的3．3V和5V電源插針短接在一起，為L(zhǎng)TCl646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(shuō)明板卡電源情況出了問(wèn)題。
·?芯片OFF／ON#輸入信號(hào)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?qū)㈦娫磾嗦菲鲝?fù)位。而B(niǎo)D_SEL#信號(hào)應(yīng)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(yù)充電電壓。可在板卡插拔過(guò)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(guò)較大的10kΩ電阻上拉至預(yù)充電電壓（PRECHARGE?OUT）。而B(niǎo)D_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(lái)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(zhǎng)3．3V和5V連接器插針以及長(zhǎng)GND插針一先接觸。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(zhǎng)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 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(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(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(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(kāi)始一個(gè)斷電過(guò)程。LTCl646內(nèi)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(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(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(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(zhǎng)連接器插針?lè)珠_(kāi)。

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(guò)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(zhǎng)度和到預(yù)充電電阻的分支線的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)小于15．2mm，預(yù)充電電阻的分支長(zhǎng)度 好是零， 長(zhǎng)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(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(guò)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。