專利名稱：一種嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種電源/控制板，尤其涉及一種應用于航空、航天領域中的高性能、高可靠的嵌入式計算機系統(tǒng)的電源/控制板。
背景技術(shù)：
Compact PCI技術(shù)是一種基于標準PCI總線的小巧而堅固的高性能總線技術(shù)。1994年PICMG(PCI Computer Manufacturer’s Group，PCI工業(yè)計算機制造商聯(lián)盟)提出了Compact PCI技術(shù)，它定義了更加堅固耐用的PCI版本。在電氣、邏輯和軟件方面，它與PCI標準完全兼容。
Compact PCI板具有以下特點·PCI局部總線·標準的Eurocard尺寸(根據(jù)IEEE 1101.1機械標準)·HD(高密度)2mm引腳與插座連接器(IEC認可，Bellcore)一、PCI局部總線PCI即外圍設備互聯(lián)之意，1992年由Intel發(fā)布，很快成為商業(yè)PC機總線標準。PCI是一種獨立于處理器的數(shù)據(jù)總線，不但性能良好而且價格便宜。PCI局部總線大意兩種數(shù)據(jù)寬度32位和64位，總線速度可達66MHZ，理論數(shù)據(jù)處理能力32位為264MB/S，64位為528MB/S。大多數(shù)計算機和操作系統(tǒng)都支持PCI。因為有大量支持PCI的產(chǎn)品，使得PCI產(chǎn)品既便宜又容易買到。擁有這些優(yōu)勢，PCI總線非常適合在高速計算和高速數(shù)據(jù)通訊領域中應用。
二、歐式插卡機械結(jié)構(gòu)歐式插卡機械結(jié)構(gòu)是一種由VMEbus推廣的工業(yè)級包裝標準。有兩種歐式插卡規(guī)格3U和6U。3U Compact PCI卡尺寸為160mm×100mm，6U卡為160mm×233.35mm，其具體形狀如圖1所示。Compact PCI卡的前面板符合IEEE 1101.1和IEEE 1101.10標準，并且可以包含可選的EMC密封圈以降低電磁干擾。典型情況下前面板包含I/O接口，LED指示燈和開關。Compact PCI也支持IEEE 1101.11的后面板I/O。由于其易于維護的特性，后面板I/O在電信設備上用的非常普遍。由于所有的連線都連接在后部轉(zhuǎn)接板上，前面的Compact PCI插卡沒有任何連線，因此可以在更換板卡時無需重新連線。
三、針孔連接器Compact PCI使用符合IEC-1076國際標準高密度氣密式針孔連接器，其2mm的金屬針腳具有低感抗和阻抗，從而減少了高速PCI總線引起的信號反射，使Compact PCI系統(tǒng)在單總線段即可達到8個槽，Compact PCI定義了5種接口J1到J5，規(guī)范只定義了J1和J2的信號線管腳。3U Compact PCI板卡只有J1和J2兩個接口，6U板J1到J5都包括。J1和J2在3U和6U Compact PCI板卡上的定義是一樣的，因此3U和6U Compact PCI板卡在電氣上是可以互換的。
Compact PCI系統(tǒng)由一個或一個以上的Compact PCI段組成，每一個段包括1塊系統(tǒng)板(System Slot)和7塊外圍板(Peripheral Slot)，板與板中心的間距為20.32mm。系統(tǒng)板為所有該段內(nèi)的板提供仲裁、時鐘分配和復位功能。系統(tǒng)板負責執(zhí)行系統(tǒng)的初始化，管理每一個本地板的IDSEL信號。在物理上，系統(tǒng)板可以插在背板上的任何位置。為了簡化問題，規(guī)范規(guī)定最左邊的槽位為系統(tǒng)板的插槽(從背板前面看)，具體的位置如圖2所示。系統(tǒng)中卡為垂直安裝，以確保適當?shù)纳?。氣流均勻，散熱性好?br> Compact PCI總線具有良好的機械特性。它增強了PCI系統(tǒng)在電信或其他條件惡劣的工業(yè)環(huán)境中的可維護性和可靠性。Compact PCI板遵從Eurocard封裝標準，從而為PCI環(huán)境增加了工業(yè)級別的可靠性與可維護性。Eurocard特性包括大量可選的板卡特性(可有4096個組合)，如前端面板封擋、減少電磁干擾的EMC保護特性等。Compact FC1電路板采用IEC規(guī)格的2mm插針插接連接器，其插槽電路板可從機箱前面插入，I/O板可從機箱前面插入也可以從背面插入。Compact PCJ的連接器本身是高低不同的針和槽式連接器。這些針槽連接器可提供更快的傳播速度，減少總線/連接器接口上的反射，降低噪音，可更好地匹配阻抗，并且提高了機械可靠性。這些針槽連接器、封擋機制等綜合在一起，為每一塊板與系統(tǒng)間的連接提供更好的支持和耐久性，維護、修理和升級等也都得到明顯的簡化。
Compact PCI總線是以PCI電氣規(guī)范為標準的高性能工業(yè)用總線。Compact PCI總線易于擴展，可同時支持多達256個的標準PCI總線設備。它可在每個子系統(tǒng)中支持8個插槽，加上橋接芯片后，Compact PCI可很容易地擴展支持到32個插槽。
基于以上Compact PCI總線技術(shù)的優(yōu)點，該總線結(jié)構(gòu)正逐漸取代原有的總線結(jié)構(gòu)，被廣泛應用于工業(yè)控制等領域的計算機系統(tǒng)中。目前APCI5000系列嵌入式工業(yè)控制機采用了Compact PCI總線技術(shù)，底板只有一個系統(tǒng)槽，單CPU板，其性能得到了大大提高，但是對于系統(tǒng)可靠性和計算機性能都要求較高的領域，例如航空、航天領域，其可靠性和性能都有待提高。
同時，現(xiàn)代航天科技的高速發(fā)展，需要航天計算機的數(shù)據(jù)處理能力大幅度提高，而目前國內(nèi)使用的航天計算機還不能達到這樣的高要求，為此，基于高性能CPU的計算機主板的研究開發(fā)就顯得尤為必要。一個航天電子系統(tǒng)是一個典型的層次結(jié)構(gòu)，越向上層，對計算機的處理能力的要求越高，同時對可靠性的要求也越高，不同的功能塊對計算機的處理能力要求不相同，數(shù)據(jù)信息交換的量也不同。目前，我國的航天電子系統(tǒng)在中低處理能力計算機和中低速率數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸方面已有較成熟的技術(shù)儲備，而在高性能計算機和高速數(shù)據(jù)傳輸方面和國際先進水平還有明顯的差距。
此外，衛(wèi)星或飛船系統(tǒng)一般提供給27V電源給載荷，而多數(shù)的集成電路芯片采用的電壓為5V、3.3V、2.5V等；同時，為了控制和監(jiān)測計算機系統(tǒng)的工作方式，使其更加有效地為航天工程服務，須采用的先進合理控制邏輯和有效的監(jiān)測手段?，F(xiàn)有計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和板卡的設計都需要進一步的改進，且單系統(tǒng)主板的可靠性和穩(wěn)定性仍需進一步提高。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于嵌入式計算機系統(tǒng)的電源/控制板，配合嵌入式計算機雙系統(tǒng)的特點，進一步增加所述系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的一種用于嵌入式計算機系統(tǒng)的電源/控制板，包括一電源轉(zhuǎn)換模塊、備份啟動芯片、兩電壓轉(zhuǎn)換芯片、第一控制繼電器、第二控制繼電器、雙串口芯片遙測/遙控/電源接口，雙串口芯片與備份啟動芯片通過X端口總線與系統(tǒng)主板相連；所述電源/控制板通過所述遙測/遙控/電源接口輸入電壓經(jīng)過電源模塊和電壓轉(zhuǎn)換芯片輸出電壓；所述電源/控制板通過遙測/遙控/電源接口輸入遙控信號，發(fā)出遙測信號，輸入遙控信號通過所述第一控制繼電器控制SYSENA信號和SYSENF信號的高低，通過所述第二控制繼電器控制BOOT信號和BOOTBAK信號的高低；所述電源/控制板與計算機系統(tǒng)基于Compact PCI結(jié)構(gòu)連接。
在上述方案中，所述X端口為系統(tǒng)主板上的CPU的只讀存儲器的RCSO#地址空間的一部分被當作輸入/輸出端口空間使用。
在上述方案中，SYSENA信號和SYSENF信號的高低控制系統(tǒng)主板的主從關系，BOOT信號和BOOTBAK信號的高低控制計算機系統(tǒng)從主啟動芯片啟動或者從備份啟動芯片啟動。
在上述方案中，備份啟動芯片與雙串口芯片和X端口總線接，備份啟動芯片提供備用的啟動代碼地址，所述雙串口芯片只能供主系統(tǒng)主板連接使用，主啟動芯片出現(xiàn)故障不能啟動，從備份啟動芯片啟動計算機系統(tǒng)。
在上述方案中，所述電源轉(zhuǎn)換模塊為+27V轉(zhuǎn)+5V/±12V DC/DC電源模塊，通過所述電源轉(zhuǎn)換模塊將27V電壓轉(zhuǎn)換為5V、+12V和-12V，+12V和-12V電壓被引到COMPACT PCI接插件上，連接至底板，供給系統(tǒng)設備使用。
在上述方案中，所述兩電壓轉(zhuǎn)換芯片分別為+5V轉(zhuǎn)+2.5V電源芯片和+5V轉(zhuǎn)+3.3V電源芯片，5V電壓經(jīng)過所述電壓轉(zhuǎn)換芯片輸出2.5V和3.3V電壓。
在上述方案中，對輸出電源層進行電源分割，在COMPACT PCI接插件上的電源依次為+5V、+2.5V和+3.3V；其中5V電源供備份啟動芯片、第一控制繼電器、第二控制繼電器、雙串口芯片使用，+2.5V和+3.3V同+5V電源一起，通過底板送到系統(tǒng)主板和其它接口板，供系統(tǒng)主板和其它板上的芯片使用。
在上述方案中，電源控制板滿足COMPACT PCI 3U標準和COMPACT PCI 6U標準。
綜上所述，為了使計算機系統(tǒng)的工作更加可靠，采用了雙啟動芯片，其中備份啟動芯片位于電源/控制板上，所述備份啟動芯片，通過X端口總線(PORTX總線)和系統(tǒng)主板相連，目的是提供一個備用的啟動代碼地址，當位于系統(tǒng)主板上的啟動芯片受到意外外損害而不能時正常啟動時，可以通過控制命令切換到備份啟動芯片啟動，這也適應了航天工程高可靠性的特點，提高了所述系統(tǒng)的可靠性和性能，此外電源/控制板產(chǎn)生相應的邏輯控制信號控制系統(tǒng)板的主從關系和啟動邏輯，并向計算機系統(tǒng)內(nèi)各板上的芯片提供所需的電源。


圖1為本實用新型實施例的電源/控制板原理圖；圖2為本實用新型實施例的電源/控制板上平面層電源的分割示意圖；圖3為本實用新型實施例的電源/控制板與控制面板的連接示意圖；圖4為本實用新型實施例的控制面板的示意圖。
圖面說明電源/控制板——60；+27V轉(zhuǎn)+5V/±12V DC/DC電源模塊——61；備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)——62；
+5V轉(zhuǎn)+2.5V電源芯片——63；+5V轉(zhuǎn)+3.3V電源芯片——64；第一控制繼電器——65；第二控制繼電器——66；雙串口芯片——67；遙測/遙控/電源接口——68；第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕——92；第二系統(tǒng)板為主系統(tǒng)板按鈕——93；系統(tǒng)復位按鈕——94；主啟動芯片啟動按鈕(BOOTROM芯片啟動按鈕)——95；備份啟動芯片啟動按鈕(BOOTROMBAK芯片啟動按扭)——96；第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈——97；第一系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈——98；第一系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈——99；第一系統(tǒng)主板電源監(jiān)測指示燈——100；第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈——101；第二系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈——102；第二系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈——103；第二系統(tǒng)主板電源監(jiān)測指示燈104。
具體實施方式
本實用新型實施例中的電源/控制板60，如圖1所示，遵循Compact PCI 3U標準，尺寸為160mm×100mm。電源/控制板60上主要包括以下元器件；+27V轉(zhuǎn)+5V/±12V DC/DC電源模塊61，備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)62，+5V轉(zhuǎn)+2.5V電源芯片63，+5V轉(zhuǎn)+3.3V電源芯片64，第一控制繼電器65，第二控制繼電器66、雙串口芯片67，遙測/遙控/電源接口68等。其中.備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)通過X端口總線與系統(tǒng)主板相連。X端口為系統(tǒng)主板上CPU中只讀存儲器的RCSO#地址空間的一部分被當作輸入輸出端口空間使用，定義為X端口(PORTX)。
當+27V電壓通過+27V轉(zhuǎn)+5V/±12V DC/DC模塊61后，得到+5V和±12V電壓，因為電源/控制板60上沒有元器件使用±12V電壓，所以±12V被引到Compact PCI接插件上，連接到底板上，供計算機系統(tǒng)中需要的設備使用；位于電源/控制板上的所述BOOTROMBAK芯片、第一控制繼電器、第二控制繼電器、雙串口芯片等元器件都需要+5V供電，所以，在電源層+5V被分為一大塊，同時為了便于電源層分割，如圖2所示，對Compact PCI的標準電源信號進行了重新定義，重新定義后電源排列比較整齊，在Compact PCI接插件區(qū)域，電源從上至下分為+5V、+2.5V、+3.3V，這種分割使得在計算機系統(tǒng)的設計時，底板上的電源層分割也比較整齊劃一。
+5V電源分別通過所述+5V轉(zhuǎn)+2.5V電源芯片63和所述+5V轉(zhuǎn)+3.3V電源芯片64轉(zhuǎn)換成+2.5V和+3.3V電壓，連同+5V電源一起，通過底板送到系統(tǒng)主板和其它接口板，供系統(tǒng)主板和其它板上的芯片使用。+5V轉(zhuǎn)+2.5V電源芯片63和+5V轉(zhuǎn)+3.3V電源芯片64均采用MAXIM MAX1644電平轉(zhuǎn)換芯片。
如圖3所示，電源/控制板60通過遙測/遙控/電源接口68連接到一個控制面板90，通過控制面板90可以發(fā)控制命令使電源/控制板60處于一種工作既定的工作狀態(tài)，同時控制面板90上的指示燈可以顯示出目前系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)。
如圖4所示，控制面板90上有5個控制按鈕和8個狀態(tài)指示燈，分別是5個控制按鈕包括，第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕92，第二系統(tǒng)板為主系統(tǒng)板按鈕93，系統(tǒng)復位按鈕94、主啟動芯片啟動按鈕(BOOTROM芯片啟動按鈕)95、備份啟動芯片啟動按鈕(BOOTROMBAK芯片啟動按扭)96。
8個狀態(tài)指示燈包括，第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈97、第一系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈98、第一系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈99、第一系統(tǒng)主板電源監(jiān)測指示燈100、第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈101、第二系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈102、第二系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈103和第二系統(tǒng)主板電源監(jiān)測指示燈104。
當?shù)谝幌到y(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕92按下時，通過第一控制繼電器66使SYSENA信號為低，計算機系統(tǒng)中第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板，第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈97點亮；同樣，第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕93按下時，通過控制繼電器1使SYSENF信號為低，計算機系統(tǒng)中第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板，第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈101點亮。
主啟動芯片啟動按鈕95按下時，通過第二控制繼電器66使BOOT信號為低，主系統(tǒng)板從主啟動芯片啟動，如果此時第一系統(tǒng)主板作為主系統(tǒng)主板，則第一系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈98點亮，如果此時第二系統(tǒng)主板作為主系統(tǒng)板，則第二系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈102點亮。
同樣，備份啟動芯片啟動按扭96按下時，通過第二控制繼電器66使BOOTBAK信號為低，主系統(tǒng)板從備份啟動芯片啟動；如果此時第一系統(tǒng)主板作為主系統(tǒng)板，則第一系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈99點亮，如果此時第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板，則第二系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈103點亮。
當系統(tǒng)復位按鈕94按下時，整個計算機系統(tǒng)處于復位狀態(tài)，然后保持上次啟動的狀態(tài)重新啟動。
通過控制面板90上的按鈕，可以得到預期的結(jié)果，通過控制面板90上的指示燈，可以看到系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)。
在電源/控制板60上的備份啟動芯片62，通過X端口總線(PORTX總線)和系統(tǒng)主板相連，目的是提供一個備用的啟動代碼地址，當位于主設備上的主啟動芯片受到意外損害而不能時正常啟動時，可以通過控制命令切換到備份啟動芯片啟動，這也適應了航天工程高可靠性的特點。
此外，如果系統(tǒng)的電壓的波動超出正常的波動范圍，控制面板上的監(jiān)測燈就會提示報警。
以下為系統(tǒng)正常啟動后，控制面板90的工作過程1)系統(tǒng)設備正常啟動后，按下第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕92，設備復位后重新啟動，第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈97亮，表明控制命令得到正常響應。
2)再按下主啟動芯片啟動按鈕95，設備復位后重新啟動，第一系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈98亮，表明控制命令得到正常響應；然后再按下備份啟動芯片啟動按紐96，設備復位后重新啟動，第一系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈103亮，表明控制命令得到正常響應。
3)系統(tǒng)設備正常啟動后，按下第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕93，設備復位后重新啟動，第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈101亮，表明控制命令得到正常響應。
4)再按下主啟動芯片啟動按扭95，設備復位后重新啟動，第二系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈102亮，表明控制命令得到正常響應；然后再按下備份啟動芯片啟動按紐96，設備復位后重新啟動，第二系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈103亮，表明控制命令得到正常響應。
5)按下系統(tǒng)復位按紐，設備復位后重新啟動，保持上一次的啟動狀態(tài)。
此外，本實用新型的技術(shù)方案同樣可應用于Compact PCI 6U標準下，只是板卡的尺寸發(fā)生變化。
權(quán)利要求1.一種嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板，包括一電源轉(zhuǎn)換模塊、備份啟動芯片、兩電壓轉(zhuǎn)換芯片、第一控制繼電器、第二控制繼電器、雙串口芯片、遙測/遙控/電源接口，雙串口芯片與備份啟動芯片通過X端口總線與系統(tǒng)主板相連；所述電源/控制板通過所述遙測/遙控/電源接口輸入電壓經(jīng)過電源模塊和電壓轉(zhuǎn)換芯片輸出電壓；所述電源/控制板通過遙測/遙控/電源接口輸入遙控信號，發(fā)出遙測信號，輸入遙控信號通過所述第一控制繼電器控制SYSENA信號和SYSENF信號的高低，通過所述第二控制繼電器控制BOCT信號和BOOTBAK信號的高低；所述電源/控制板與計算機系統(tǒng)基于Compact PCI結(jié)構(gòu)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板，其特征在于，所述X端口為系統(tǒng)主板上的CPU的只讀存儲器的RCSO#地址空間的一部分被當作輸入/輸出端口空間使用。
3.如權(quán)利要求1所述的嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板，其特征在于，SYSENA信號和SYSENF信號的高低控制系統(tǒng)主板的主從關系，BOOT信號和BOOTBAK信號的高低控制計算機系統(tǒng)從主啟動芯片啟動或者從備份啟動芯片啟動。
4.如權(quán)利要求1所述的嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板，其特征在于，備份啟動芯片與雙串口芯片和X端口總線接，備份啟動芯片提供備用的啟動代碼地址，所述雙串口芯片只能供主系統(tǒng)主板連接使用，主啟動芯片出現(xiàn)故障不能啟動，從備份啟動芯片啟動計算機系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求1所述的嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板，其特征在于，所述電源轉(zhuǎn)換模塊為+27V轉(zhuǎn)+5V/±12V DC/DC電源模塊，通過所述電源轉(zhuǎn)換模塊將27V電壓轉(zhuǎn)換為5V、+12V和-12V，+12V和12V電壓被引到COMPACT PCI接插件上，連接至底板，供給系統(tǒng)設備使用。
6.如權(quán)利要求1所述的嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板，其特征在于，所述兩電壓轉(zhuǎn)換芯片分別為+5V轉(zhuǎn)+2.5V電源芯片和+5V轉(zhuǎn)+3.3V電源芯片，5V電壓經(jīng)過所述電壓轉(zhuǎn)換芯片輸出2.5V和3.3V電壓。
7.如權(quán)利要求5、6所述的嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板，其特征在于，對輸出電源層進行電源分割，在COMPACT PCI接插件上的電源依次為+5V、+2.5V和+3.3V；其中5V電源供備份啟動芯片、第一控制繼電器、第二控制繼電器、雙串口芯片使用，+2.5V和+3.3V同+5V電源一起，通過底板送到系統(tǒng)主板和其它接口板，供系統(tǒng)主板和其它板上的芯片使用。
8.如權(quán)利要求1所述的嵌入式計算機系統(tǒng)用的電源/控制板，其特征在于，電源控制板滿足COMPACT PCI 3U標準和COMPACT PCI 6U標準。
專利摘要本實用新型涉及一種用于嵌入式計算機系統(tǒng)的電源/控制板，包括一電源轉(zhuǎn)換模塊、備份啟動芯片、兩電壓轉(zhuǎn)換芯片、第一控制繼電器、第二控制繼電器、雙串口芯片、遙測/遙控/電源接口，雙串口芯片與備份啟動芯片通過X端口總線與系統(tǒng)主板相連，目的是提供一個備用的啟動代碼地址，當位于主設備上的啟動芯片受到意外損害而不能時正常啟動時，可以通過控制命令切換到備份啟動芯片啟動，這也適應了航天工程高可靠性的特點，提高了所述系統(tǒng)的可靠性和性能。
文檔編號G06F1/30GK2672734SQ20032012219
公開日2005年1月19日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月28日
發(fā)明者李揚, 安軍社, 劉艷秋, 張健, 辛敏成 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心