基于PCI-e和PCI-x總線的XMC/PMC載板設計*

胡彥君,高 楓,姜 威,張會新,張春恒,劉文怡*

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

基于PCI-e和PCI-x總線的XMC/PMC載板設計*

胡彥君1,高 楓2,姜 威2,張會新1,張春恒1,劉文怡1*

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

為了靈活地實現VPX系統中功能的擴展,設計了一種采用PCI-e總線和PCI-x總線的XMC/PMC功能載板。該載板通過P1-P6連接器與不同功能板卡連接,由HD68接口實現外界與載板之間數據通信,并介紹了以PCI-e開關模塊和PCI-e轉PCI-x模塊為主的系統方案。對其中的轉換模塊、開關模塊、存儲模塊、電源模塊和時鐘模塊進行了詳細介紹。在電路設計過程中,通過仿真保證高速電路的信號完整性。最后通過與AD板卡進行調試,驗證了XMC/PMC設計可行性。

電路設計;PCI-e;PCI-x;XNC/PMC;信號完整性

VPX技術采用高速串行總線代替并行總線,最高數據傳輸率可以達到10 Gbit/s,通過RapidIO和Advanced Switching Interconnect現代工業串行交換結構,實現更高的背板寬度,支持PCI-e,SRIO等工業串行接口[1]。

在VPX系統中,XMC/PMC載板為通用模塊,主要實現不同接口功能。不同功能的板卡都可以與載板組合,這樣既能節約成本,也方便快捷,因此設計載板具有很大的意義[2]。

此載板與VPX背板之間通過PCI-e總線進行連接,從VPX背板的P1口引出兩通道X4寬度的總線接口,一通道接到XMC接口上,另一通道通過PCI-x總線接到PMC接口上,進而完成載板設計。本文介紹了基于PCI-e和PCI-x總線的載板設計實現方法,并且通過信號完整性仿真實驗,使設計變得更完整[3]。

1 總體設計方案

設計的XMC/PMC載板適用3U大小的機箱。載板的上行接口連接到VPX背板部分,下行接口分別通過PCI-e與PCI-x連接到XMC/PMC端口,詳細的系統框圖如圖1所示。

圖1 載板系統框圖

VPX背板包括3部分接口,分別為P0,P1,P2。其中P0口實現電源功能,給載板供電;由于載板設計的標準為XMC模塊支持4路(X4)PCI-e互聯總線,PMC支持4路(X4)PCI-X總線,因此將P1口進行功能劃分,連接片1～4采用PCI-e作為互連總線,連接背板與載板之間的數據信號,同時將信號與XMC相連,與外部進行輸出控制,連接片5～8連接PCI-e轉換PCI-X轉換芯片,將轉換生成的PCI-X總線連接到PMC模塊,第9連接片實現存儲功能。

本載板可以通過連接器(P1-P6)負載功能板卡,為了后期測試載板的性能,記錄了負載AD板卡的輸出波形。其中連接器P5,P6實現與AD板卡之間的通訊。P5,P6連接器點的信號包括時鐘、觸發、16 bit ADC、DAC和GND信號。AD板的系統框圖如圖2所示。

圖2 AD板卡系統框圖

2 硬件設計

XMC/PMC載板作為功能板卡的承載,一方面要性能穩定,另一方面還必須實現板卡的功能[4]。由圖1系統框圖可以看出,設計主要包括PCI-e開關模塊、PCI-e轉PCI-x模塊、存儲模塊、電源管理和時鐘模塊。下面將對這些模塊進行具體的介紹。

圖3 PEX8619配置方式

2.1 PCI-e開關模塊

PCI-e開關芯片選擇的標準在于端口和信道。當前使用的端口為4個,信號需求為16個。可以選擇PLX公司的4端口芯片PEX8619,它是專門用于PCI-e端口擴展的芯片,包含16 bit配置端口,配置方式有多種,這里選用的是4路X4的配置方式[5]。配置方式如圖3所示。

每個PCI-e端口包括兩部分信號—通訊信號和控制信號。通訊信號主要有Lane信道組成,而且每個Lane信道都包含一對差分對,控制信號包括時鐘信號,電源信號等。PCI-e開關模塊分別連接著VPX背板和XMC模塊。

2.2 PCI-e轉PCI-x模塊

PCI-e轉PCI-x芯片選用Pericom公司的P17C9X130,該芯片不僅兼容PCI-e 1.1版本規范,支持PCI-e總線X4端口,而且能夠實現PCI-e和PCI-x端口之間的相互轉化[6]。設計需要PCI-e總線經由芯片產生PCI-x,133 MHz的總線接口,進而通過PMC連接口將數據傳輸出去。轉換芯片和AD板FPGA間的信號連接框圖如圖4所示。

圖4 信號連接圖

圖4中,AD[31:0]是PCI總線32 bit雙向數據、地址信號,C/BE[7:0]為使能信號。P17C9X130能夠通過內部鎖相環將PCI-e差分時鐘生成7個時鐘信號,驅動外圍設備。P17C9X130通過3個控制信號產生3種工作模式,具體如表1所示。根據需求選用模式3-PCI-x,133 MHz的總線。

表1 P17C9X130工作模式

2.3 時鐘模塊

時鐘的相位噪聲和激勵都能夠直接耦合到輸出,影響輸出結果。因此時鐘也是必須考慮的影響因素。時鐘芯片選擇ICS公司的ICS9DB104BF,它可以將一路時鐘擴展為4路輸出,分別給VPX背板、交換器芯片、PCI-e轉PCI-x轉換芯片和XMC/PMC提供時鐘。具體如圖5所示。

圖5 時鐘電路圖

2.4 電源模塊

由于本載板沒有對噪聲敏感的音頻,射頻模擬電路,所以只能采用DC-DC電路來減少功耗[7]。

根據模塊芯片需求,設計以下幾種電源。一方面轉換模塊需要3.3 V電壓,選取TPS79358作為5 V～3.3 V電壓轉換芯片,電路如圖6所示;另一方面MAX662A需要5 V輸入電壓,選取MPS公司的MP2451作為12 V～5 V的轉換芯片,原理如圖7所示。

圖6 5 V～3.3 V電路圖

圖7 12 V～5 V電路圖

芯片PEX8619需要3.3 V,1.2 V,1 V 3種電壓,最后選用PTH08T220W來提供12 V～1.0 V的電壓,LP3964來實現3.3 V～1.2 V之間的電壓轉化。芯片PEX8619需要3種電壓源,并且芯片對上電和斷電的順序有著嚴格的要求,上電依次為1.0 V、1.2 V、3.3 V,斷電相反。采用ISL6123芯片控制上電順序,該芯片通過對應引腳連接的電容不同來控制輸出信號的時間,繼而可以控制電壓順序[8]。具體電路圖如圖8所示。

圖8 上電電路圖

2.5 存儲模塊

ATMLH系列芯片,兩路串行接口存儲器,通過施密特除法器,過濾輸入,實現噪音抑制,具有雙向數據傳輸協議。另外配置了MAX662A對其進行輸入控制,通過輸出12 V電壓直接給Flash memory進行供電。具體的原理圖如圖9所示。

圖9 存儲模塊

3 高速PCB仿真設計

由于電路設計包括PCI-e和PCI-x總線,其中PCI-e產生的差分信號屬于高速信號。因此為了設計完整性,必須對電路進行信號完整性分析。根據前后仿真反饋,對設計進行優化[9]。

首先設計仿真原理圖,如圖10所示。圖中是典型的PCI-e信號通道,信號發出后經過傳輸線再經過兩次過孔,將信號傳到傳輸層,最后經過電容接收[10]。

另外PCI-e標準阻抗要求為100 Ω,經過對線寬,介質層厚度,線間距,材料等因素的設置,最后的特性阻抗為83 Ω,滿足設計要求。

圖10 PCI-e仿真原理圖

4 調試結果

通過負載AD板卡來進行性能測試。首先FPGA連接的RAM將波形數據存入,再通過FPGA將數據輸出到AD芯片中,最后由AD將產出的數據發送出去。示波器測試到輸出的數據為正弦波,而且沒有很大的毛刺和不規則波動。通過波形可以看出,兩片AD芯片同步工作正常,基本滿足技術要求,實驗結果如圖11所示。

圖11 測試結果

5 總結

本文基于兩種不同的總線標準PCI-e和PCI-x,設計出了滿足使用要求的載板。XMC/PMC載板通過負載不同板卡來實現不同的功能,具有通用性,并

且使用范圍廣泛,適用于各種工業場合。并且隨著技術的發展,VPX串行總線技術將逐步替代原有的并行架構,XMC/PMC載板將會被越來越多的使用。

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DesignofXMC/PMCCarrierBoardBasedonPCI-eandPCI-x*

HUYanjun1,GAOFeng2,JIANGWei2,ZHANGHuixin1,ZHANGChunheng1,LIUWenyi1*

(1.North University of China,National Defense Key Laboratory For Electronic Measurement Technology,Taiyuan 030051,China;2.Beijing Aerospace Systems Engineering Institute,Beijing 100076,China)

In order to flexibly realize the function expansion in VPX system,the design uses PCI-e bus and PCI-x bus to complete the function of XMC/PMC carrier board. The carrier board is connected with different function boards through the P1-P6 connector,the data communication between the outside and the carrier board is realized by the HD68 interface,and the PCI-e switch module and the PCI-e switch PCI-x module are mainly introduced system solutions. The converting module,the switch module,the power module and the clock module are introduced in detail. In the circuit design process,the simulation is to ensure high-speed circuit signal integrity. Finally,by debugging with the AD board the XMC/PMC design is verified feasibility.

circuit design;PCI-e;PCI-x;XNC/PMC;signal integrity

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.005

項目來源:國家自然科學基金項目(51425505)

2016-10-14修改日期2016-11-21

TP272

A

1005-9490(2017)06-1354-05

胡彥君(1991-),女,漢族,黑龍江牡丹江人,中北大學在讀研究生,研究方向為電路設計與總線研究,18234125986@163.com;

劉文怡(1970-),男,漢族,山西嵐縣人,中北大學儀器與電子學院碩士生導師,教授,研究方向為微納傳感與測試技術,liuwenyi@nuc.edu.cn。