通信設備熱插拔硬件方案設計

衛朝霞 徐 艷

（電子科技大學成都學院，四川成都 611731）

電信與數據通訊產業的迅速發展，促使用戶對電信與數據通訊設備提出了更苛刻的要求，要求設備每年只有幾分鐘、甚至更少的停機時間。所謂“FIVE NINES”（99.999%運行時間）的指標已逐漸成為電信行業的一項標準要求，這就意味著除了系統本身要具備很高的可靠性外，萬一出現問題，必須能在很短的時間內恢復正常，而要滿足這些需要，系統的各個板卡必須支持熱插拔功能。也就是說，當某一板卡硬件出現異常時，在不影響其它板卡正常工作的前提下能夠帶電進行維修或更換[1]。通常，一個完整的熱插拔系統包括熱插拔系統的硬件和支持熱插拔的軟件。本文在簡單分析熱插拔原理的基礎上，給出了一種可靠的熱插拔硬件設計方案，并有效分析和解決了熱插拔瞬間出現的抖動問題[2]。

1 熱插拔原理[3]

熱插拔是指在帶電運行的背板中插入或移除電路板。這種技術可在維持系統背板電壓下，更換發生故障的電路板，并保證系統中其他正常的電路板仍可繼續運作。熱插拔技術的出現提高了系統的擴展性、靈活性以及對災難的及時恢復能力。一般來說，熱插拔平臺主要包括三個部分：熱插拔控制器、總線BUFFER和背板接插件長短引腳。

熱插拔控制器的主要作用是控制上電時間和時序，以受控方式來啟動或關斷板卡上的電源電壓，使板卡能夠在帶電背板上安全的插入或拔出。

總線BUFFER的主要作用是保護板卡硬件在插入或者拔出背板時不被損壞，因為在板卡插入或者拔出背板的瞬間，許多不可預知的尖鋒脈沖可能會損壞板卡上芯片的I/O管腳[4]。

背板連接器上的針式引腳有三組長度：長腳（LONG），為提前電源/地線引腳；中長腳（MEDIUM），為信號線引腳和主電源/地線引腳；短腳（SHORT），為使能引腳。在板卡插入或拔出背板時，各種信號可分時加載[5]。

2 熱插拔方案設計

目前，一般的熱插拔方案中，熱插拔控制器都是由分離元器件搭建而成的，這樣的電路由于元器件的離散特性，很容易導致整個系統工作不穩定，而且總線BUFFER也沒有采取有效的開關控制方案。為了解決目前存在的問題，本文提出了一種有效的設計方案。

在本方案中，熱插拔控制器選用Maxim公司的MAX5920B集成芯片。通過外圍電路的合理設計實現對上電時間和時序的有效控制，具體實現框圖如圖1所示。

圖1 熱插拔控制器的實現框圖

圖1中，MAX5920B為－48V熱插拔控制器[6]，通過一個外部的N溝道通路晶體管對－48V電源進行控制，UV/OV管腳由背板接插件的最短管腳（0V）控制，只有當板卡完全插入背板后，熱插拔控制器的輸出GATE信號才有效；板卡電流的大小由晶體管Q1控制，與熱插拔控制器無關；PWRGD信號高電平有效，該信號控制DC－DC使能端。即只有板卡上電后DC－DC才開始工作。

同時，熱插拔控制器的線路板布局也至關重要，較短的引線能夠使控制器迅速響應短路或其它故障事情。熱插拔控制器需要靠近線卡的邊緣安裝，采用大面積接地技術以減少寄生阻抗和電感；流過大電流的引線要盡可能寬，以減小寄生電感的產生；如果需要外部檢流電阻時，檢流電阻的引線要盡可能短。而且要保證MAX5920BH與外部有良好的熱傳導性。

板卡接插件的設計如圖2所示。所有接插件均選用Molex公司的VHDM系列接插件[7]。VHDM背板連接器有兩個端子，為公端和母端，分別連接兩塊PCB板。公端、母端通過壓縮針上的“魚眼”部分與PCB板孔相連接。VHDM連接器還包括為客戶定制的電源模塊和導向模塊，共同構成整個模塊化系統。

圖2 背板接插件

在本方案中，高速信號選用VHDM-HSD接插件；低速信號選用VHDM-L接插件；電源選用VHDM電源接插件。每組電源由上下兩個針組成，兩個針的長度不一樣，長針長度為10.5mm，短針長度為7.5mm。0V的短針在熱插拔中充當熱插拔EN管腳。

VHDM-HSD和VHDM-L針長度一樣，均為4.75mm。VHDM-HSD的地線屏蔽長度為5.25mm，由于信號的長度比地線屏蔽長度短，因此可以保證地線比差分信號先接觸。

當一塊板卡插入背板時，首先提前地線和提前電源加載，緊接著信號線和主電源地加載，等到以上兩組信號全部加載完成后，使能信號打開熱插拔控制器芯片并開啟總線BUFFER芯片，板卡上電，通知系統有新板插入系統，開始由硬件或者軟件控制隨后的連接過程。

總線BUFFER，在總線傳輸中起到數據暫存緩沖的作用。本方案中，選擇PERICM公司的PI74FCT3244集成芯片。PI74FCT3244為3.3V的8位緩沖器驅動器，它具有高速性、低功耗性、較小的信號反射性、良好的輸出驅動能力等優點，非常適合本方案的設計要求。

圖3 PLD消除抖動數字電路

3 抖動消除

板卡在帶電背板上插入或者拔出時，最大的風險就是在板卡和背板接插件接觸瞬間，信號線上會產生瞬間不可預知的振蕩脈沖，該振蕩脈沖會對系統造成嚴重破壞，所以，在設計熱插拔系統時，必須消除抖動對系統的影響[8]。在本方案中，經過實際測試，熱插拔瞬間產生的抖動時間大概在1ms以內，一般為200us左右。考慮到特殊情況，在設計抖動消除電路時，門限值應大于1ms，經過實驗，10ms的門限值相對比較穩定，同時時延也可以接受。

抖動消除電路有多種不同的實現方式，在本方案中，采用PLD芯片數字電路，既簡單又可以做到在線調整消抖門限，而且實現成本非常低。PLD芯片數字消抖電路的具體實現過程如圖3所示。

圖3中，CLK時鐘信號的周期為1.25ms，SRR8模塊為8位的移位寄存器，DFF1模塊為同步清零、同步置位的D觸發器，其清零和置位端均為高電平使能有效。

DATAIN信號在CLK時鐘脈沖作用下，經過移位寄存器進行采樣，如果連續8次（門限：1.25ms×8=10ms）采樣值均為低電平，則采樣值經或非邏輯門后的輸出信號為高電平，該電平使能D觸發器的清零端（sclr），在CLK作用下，觸發器清零，DATAOUT輸出一個低電平信號。若連續8次采樣均為高電平，經與邏輯門后的輸出信號為高平，該電平使能D觸發器的置位端（sset），在CLK作用下，DATAOUT輸出高電平信號。除了上面的兩種情況外，其它采樣值均不能改變D觸發器的狀態。即對于DATAIN小于10ms的抖動信號，DATAOUT則沒有變化，這樣就起到了消除抖動的目的。

4 結束語

總之，該熱插拔方案的設計，有效抑制了在線板卡和背板接插件接觸瞬間，信號線上產生的不可預知的振蕩脈沖，避免了振蕩脈沖對設備造成的嚴重影響，使設備在正常運行情況下能夠隨意更換板卡而不受影響，提高了設備的可靠性和靈活性。本方案已經實際應用于各種機架式數據通信設備中，到目前為止，沒有出現系統復位死機和接插件損壞等現象，整個系統運行穩定可靠。

[1]陳艷峰，Compact PCI熱插拔技術研究現狀評述[J]，測控技術，2002，21（10）：1-5.

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

[3]郭東文，金勇，CompactPCI熱插拔原理與實現[A]，2007通信理論與技術新發展——第十二屆全國青年通信學術會議論文集（上冊）[C]，2007.

[4]熊庭剛，馬中，基于CPCI熱切換技術實現高可用適度并行系統[J]，計算機工程與設計，2005-9.

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

[6]MAX5920 DS，http：//www.maximintegrated.com，2013-01.

[7]Molex VHDM? H-Series Backplane Connector System，http：//www.winmax.cc，2012-11.

[8]Don Anderson Ts .PCI system architecture（4 th Edition）[M]，北京：電子工業出版社，2000.