基于AT96总线的热插拔设计

伍巧凤，孙诗炎，王明星，贺 理，李 昱

（核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

热插拔即带电插拔，热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和更换损坏的硬盘、电源或板卡等部件，从而提高了系统对故障的及时恢复能力、扩展性和灵活性等。数字化仪控平台[1]采用AT96总线为ISA总线的兼容协议，不支持热插拔功能[2]，并且设备热插拔初期会产生非常大的瞬态电流，对电源产生干扰，干扰的存在会使负载降低。因此，需要采用专门的热插拔设计，让热插拔后系统能及时复位[3]。系统从热插拔对供电的影响出发，在基于AT96总线的基础上提出了一种可靠性的热插拔设计方案，有效地解决了热插拔瞬间冲击和振荡问题。

1 功能单元热插拔对系统供电的影响

功能单元在热插拔上电时对系统供电的影响主要包括以下两点：

1）在热插拔时，连接器的机械触点在接触瞬间会出现弹跳，引起电源振荡。如图1所示。

这个振荡过程会引起系统电源跌落，引起误码或系统重启，也可能会引起连接器打火，引发火灾。

解决的办法就是延迟连接器的通电时间，在连接器抖动的那十几毫秒内（t1～t2）不给连接器通电，等插入稳定后（t2后）再通电，即防抖动延时。

图1 上电电流振荡图Fig.1 Power-on current oscillation diagram

图2 上电冲击电流图Fig.2 Power-on impact current diagram

图3 IO功能单元的AT96接插件针结构图Fig.3 AT96 connector needle structure diagram of IO function unit

2）热插拔时，由于系统大容量储能电容的充电效应，系统中会出现很大的冲击电流，电容在充电时，电流呈指数趋势下降，如图2所示。所以在刚开始充电的时候，其冲击电流是非常大的。

此冲击电流可能会烧毁设备电源保险管，所以在热插拔时必须对冲击电流进行控制，使其按理想的趋势变化，如图2右侧所示，图中0～t1为电源缓启动时间。

综上所述，热插拔电路必须考虑防抖动延时上电和控制输入电流上升斜率，采用缓启动电路设计。

2 热插拔技术方案

2.1 定制的AT96接插件

IO功能单元通过接插件与背板相连，从而实现与控制器的数据交互。IO功能单元的热插拔设计采用定制的AT96接插件，即长短针设计，不同的功能采用不同的针设计。该定制接插件针结构分为3种长度，长针为电源针，正常长度为信号针，短针为热插拔的KEY针，其示意图如图3所示[4]。

长针为电源针，可以确保插件在插入时，优先接入电源信号，在插件拔出时，最后断开电源信号。正常长度的针为AT96总线的其他信号使用，短针是热插拔的Key信号针，该管脚在功能单元上为上拉信号，在背板上为对地短路，在板卡刚插入时，虽然电源和信号针都已经插入背板上时，由于该管脚最短，还未接入。因此，为高电平，Key信号依然保持电路板接口信号为三态信号模式；当该管脚被接入背板后，Key信号为低电平，此时板卡才开始启动MCU复位信号，进入功能单元上电和工作状态。

在功能单元拔出时，由于KEY信号针最短，在其他信号还正常的情况下，Key信号已经转为高电平。因此，该板卡已经知道一个拔出操作开始了，故根据功能单元功能要求，做好掉电拔出的信号处理工作（该工作需要在较短时间之内完成，可能拔出时间只有10ms左右），将所有总线IO口切换为三态模式，同时降低板卡电源开销，以减少拔出时对总线冲击。

2.2 限流保护和延迟斜率上电

由上节可知，功能单元在上电时，会对总线产生电源冲击，有可能导致总线访问错误，甚至整个总线电源保护停电。因此，上电控制电路是非常重要的一个电路，该电路负责控制上电的斜率，从而减少对总线电源的冲击，以避免总线受到冲击而导致系统故障。

图4中为一个电源二级防护电路，一级防护电路主要靠气体放电管抑制电压，当两极间电压足够大时，极间间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，类似短路，通路状态下两极间维持的电压很低。因此，可以起到保护后级电路的效果，而二级防护电路主要依靠SMAJ5.0CA起保护作用，能有效地保护后级电路，FA1和FA2为1.5A自恢复保险丝，可以达到限流保护的作用，防止过流对板卡进行的损坏。该电路可有效地降低热插拔过程中，浪涌电流对电路造成的影响。

图4 二级防护电路Fig.4 2 Level protection circuit

图5 斜率上电电路Fig.5 Slope power circuit

图6 上电时序控制图Fig.6 Power-on timing control diagram

在防雷防浪涌电路后端，设计斜率上电电路，通过MIC2505电路控制芯片来实现电压的斜率控制，其电路图如图5所示。MIC2505具有电流限制和热关断功能，其输入电压在2.7V～7.5V之间，其上电时间由电容CA29的容值决定，其电容值与上电时间成正比。由此，可以通过调节CA29的电容容值大小，从而控制电源的上电时间，减少热插拔的影响。

2.3 上电时序

如果平台中所有功能单元均插好的情况下上电，虽然每个功能单元都有斜率上电控制，但由于功能单元太多，如果同时上电，依然会对电源冲击过大，造成故障甚至引起设备损坏。为了解决这个问题，需要控制各个功能单元的上电时序，使其错开，以降低对电源的冲击造成的不良影响。

图6为上电时序控制图，从图中可知，功能单的基础电源部分为5V和3.3V，其中5V从外部引入，在其基础上增加了一个斜率上电控制电路，其后通过数字电源转换成3.3V供内部数字电路使用。

当功能单元插入上电，或系统开机上电时，斜率上电控制电路将控制上电斜率，以降低电流开销。上电结束后，所有的3.3V和5V电源均已完成上电。需要指出的是，虽然3.3V和5V电源均已完成上电，但各个器件依然受到CPLD逻辑控制，MCU此时依然处于复位状态，各个相关IC通过使能控制，其也依然处于高阻的不工作状态。因此，此时的上电电流实际上是比较小的，各个插槽的所有功能单元一起上电，其电流冲击也依然较小，不会对电源造成很大冲击。为了各个板卡自然错开上电，设定一个固定延迟时间。因此，各个板卡将自动错开上电时间。

延迟时间到后，CPLD控制电路将依次打开MCU的复位信号，各个IC的使能信号，以及其他电源的上电控制信号，完成功能单元的实际上电。其中部分接口IC的使能信号，还受到MCU的软件控制，MCU在完成自检后，方才发送允许信号给CPLD，这些接口IC才能被允许使能工作。

3 结论

系统根据AT96总线的特点，设计了一种合理、可靠的热插拔设计方案，使得基于AT96总线的数字化仪控平台具备快速恢复能力和较好的扩展能力。该方案采用定制AT96接插件，通过长短针设计，使得功能单元在插入或拔出时，各种信号可分时加载；通过二级防护电路、斜率上电电路和上电时序控制系统上电时间，消除浪涌对供电系统的影响，使得功能单元能够在带电的背板上安全插拔。