阅读说明：本技术 基于cpci架构的后插板热切换系统 (Hot switching system of back picture peg based on CPCI framework ) 是由 迟东明 臧增辉 王燕玲 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于CPCI架构的后插板热切换系统,本发明提供的基于CPCI架构的后插板热切换设计,通过一定的软硬件设计并利用FPGA的DPR(Dynamic Partial Reconfiguration,动态部分重配置)技术使基于CPCI架构的测试设备仅仅利用一块通用可编程主控板再配合不同的后插板就能够实现以往需要多块板卡才能实现的复杂测试任务。在实际测试中,通用可编程主控板的后插板控制程序可以由主控计算机软件在线配置,且在配置过程中不需要关闭整台测试设备,因此能够有效提高测试设备的测试效率。(The invention provides a back plug board hot switching system based on a CPCI framework, which can realize a complex test task which can be realized by a plurality of board cards in the past by only utilizing a universal programmable main control board and matching with different back plug boards through certain software and hardware design and utilizing a DPR (Dynamic Partial Reconfiguration) technology of an FPGA (field programmable gate array). In actual test, the control program of the back plug board of the general programmable main control board can be configured on line by the main control computer software, and the whole test equipment does not need to be closed in the configuration process, so that the test efficiency of the test equipment can be effectively improved.)

基于CPCI架构的后插板热切换系统

技术领域

本发明涉及一种基于CPCI架构的后插板热切换系统。

背景技术

CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect，紧凑型PCI)总线是国际工业计算机制造者联合会(PCI Industrial Computer Manufacturer's Group，简称PICMG)提出的一种总线接口标准。该总线标准在自动化测试领域有着广泛的应用。

基于CPCI架构的自动化测试设备一般由CPCI机箱、CPCI电源、CPCI背板、主控计算机、功能前插板、后插板及配套测试软件组成。其中CPCI机箱、CPCI电源、CPCI背板和主控计算机属于通用设备，符合标准CPCI规范。功能前插板主要负责数据处理、接口控制等功能，一般板载有FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或CPU(CentralProcessing Unit，中央处理单元)作为主处理芯片，通过标准CPCI协议与主控计算机进行数据交换并对后插板进行接口控制；后插板提供必要的接口电路与被测设备连接，用于采集被测设备状态信息、控制被测设备工作状态及进行数据交换。

通常情况下，功能前插板、后插板和测试软件根据测试任务的不同硬件、接口及软件都会有所不同。主控计算机通过CPCI背板的CPCI总线可以与一块或多块功能前插板连接，而每块功能前插板一般只能与一块实现特定功能的后插板通过CPCI背板的自定义接口连接，以便实现不同的测试功能。

对于特定的测试任务，需要“特定的后插板+功能前插板+特定的测试软件”才能实现需要的测试功能。因此在进行测试任务前，需要对功能前插板上的板载FPGA或CPU烧写不同的程序并插入不同的后插板以便实现不同的测试功能。但对于一些复杂的测试任务(例如在一些测试任务重，被测设备具有多种接口，使用一块后插板无法满足测试需求)往往需要多块后插板及与之连接的功能前插板配合才能实现，这样会导致硬件成本的增加(如N块功能前插板+N块后插板)，且如果板卡数量过多也会增加整个测试设备的体积和功耗。而如果为了不增加硬件成本，用一块功能前插板实现多种测试功能(如1块功能前插板+N块后插板)，通常做法是在进行不同的测试任务前对功能前插板烧写不同的程序以适应新的测试需求，但这样就不得不关闭整个测试设备、中断测试任务，导致测试效率低下，且板卡程序的烧写也对操作人员的操作水平有一定要求，在操作失误的情况下可能会损坏板卡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于CPCI架构的后插板热切换系统。

为解决上述问题，本发明提供一种基于CPCI架构的后插板热切换系统，包括：

主控计算机；

通用可编程主控板，所述通用可编程主控板用于连接后插板及主控计算机，包含有FPGA、后插板电源监控电路、CPCI接口电路、双向IO电路，通用可编程主控板、后插板、主控计算机通过CPCI背板进行连接，所述通用可编程主控板的主芯片采用板载FPGA，所述通用可编程主控板通过双向IO电路对后插板的接口电路进行控制及数据交换；通过CPCI接口与主控计算机进行数据交换；通过后插板电源监控电路控制并监视后插板的供电情况；

后插板，用于连接被测设备及所述通用可编程主控板，包含CPCI接口电路及被测设备接口电路。

进一步的，在上述系统中，后插板切换前，主控计算机软件向所述通用可编程主控板的PCI空间指定地址写入相应后插板断电指令字；

所述通用可编程主控板的板载FPGA接收到后插板断电指令字后，控制板载继电器切断后插板供电；

后插板切换后，主控计算机向所述通用可编程主控板的PCI空间指定地址写入相应后插板通电指令字；

所述通用可编程主控板的板载FPGA接收到后插板通电指令字后，控制板载继电器恢复后插板供电；

主控计算机将对应新后插板的配置文件通过CPCI总线发送给通用可编程主控板的板载FPGA，FPGA在接收到新后插板配置文件后对FPGA相应区域进行部分重配置操作，配置完成后所述通用可编程主控板即完成对新后插板功能切换；

通用可编程主控板利用板载的双向IO电路访问新后插板的接口电路。

进一步的，在上述系统中，所述通用可编程主控板与CPCI背板的接口分为双向IO接口及电源接口，通过所述双向IO接口，通用可编程主控板实现对所述后插板的控制及数据交换；通过所述电源接口，所述通用可编程主控板实现对所述后插板的供电控制。

进一步的，在上述系统中，所述双向IO接口由FPGA的IO管脚连接至双向IO缓冲器芯片输出

进一步的，在上述系统中，所述后插板的±12V、+5V及+3.3V电源由所述CPCI背板的J1接口中的相应电源管脚经过通用可编程主控板的电源监控电路提供。

进一步的，在上述系统中，所述电源监控电路包括电源监控芯片及继电器，所述电源监控电路的控制端连接至通用可编程主控板的板载FPGA，所述电源监控芯片用于对所连接电源的电流、电压等进行监控，所述继电器用于所连接电源的通断电。

进一步的，在上述系统中，所述电源监控芯片的数据接口连接至通用可编程主控板的板载FPGA上，同时板载FPGA输出1路IO用于控制继电器的通断，板载FPGA程序周期访问电源监控芯片的电源状态信息，同时监控主控计算机通过CPCI总线发送来的指令，当板载FPGA程序检测到背板断电指令时，板载FPGA通过继电器控制端口关闭继电器，进而切断后插板的供电，当板载FPGA程序检测到背板通电指令时，板载FPGA通过继电器控制端口开启继电器，进而恢复后插板的供电。

进一步的，在上述系统中，所述板载FPGA采用DPR模块，所述板载FPGA内部划分为两部分：动态逻辑部分和静态逻辑部分，所述动态逻辑部分用于存放后插板控制程序；静态逻辑部分，用于存放其他不要动态更新的程序。

进一步的，在上述系统中，当要切换后插板控制程序时，主控计算机将对应于当前后插板的后插板控制程序的DPR模块中的配置数据写入到通用可编程主控板的PCI空间对应寄存器中，通用可编程主控板的CPCI接口模块不断读取该寄存器中的数据，并将其通过HWICAP写入到后插板控制DPR模块的动态逻辑部分，当配置数据传送完毕，HWICAP自动复位后插板控制DPR模块；

后插板控制DPR模块利用通用可编程主控板的板载可编程时钟CLK_EXT_IN作为本地工作时钟，并完成初始化操作；

初始化完成后，后插板控制DPR模块一方面通过BACK_OUT[127:0]、BACK_IN[127:0]、BACK_TRI[127:0]等端口与后插板的接口芯片进行数据交换，另一方面通过USR_OUT[31:0]、USR_OUT_EN、USR_OUT_CLK、USR_IN[31:0]、USR_IN_EN、USR_IN_CLK端口与CPCI接口模块进行数据交换。

与现有技术相比，本发明提供的基于CPCI架构的后插板热切换设计，通过一定的软硬件设计并利用FPGA的DPR(Dynamic Partial Reconfiguration，动态部分重配置)技术使基于CPCI架构的测试设备仅仅利用一块通用可编程主控板再配合不同的后插板就能够实现以往需要多块板卡才能实现的复杂测试任务。在实际测试中，通用可编程主控板的后插板控制程序可以由主控计算机软件在线配置，且在配置过程中不需要关闭整台测试设备，因此能够有效提高测试设备的测试效率。

附图说明

图1为本发明实施例中，后插板热切换功能实现示意；

图2为本发明实施例中，主控计算机、通用可编程主控板与后插板接口关系图；

图3为本发明实施例中，通用可编程主控板双向IO缓冲器结构示意图；

图4为本发明实施例中，通用可编程主控板后插板电源监控原理框图；

图5为本发明实施例中，通用可编程主控板DPR功能原理框图；

图6为本发明实施例中，通用可编程主控板载FPGA后插板控制DPR模块接口关系图；

图7为本发明实施例中，通用可编程主控板载FPGA后插板控制DPR模块配置比特流生成过程；

图8为本发明实施例中，后插板热切换方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种基于CPCI架构的后插板热切换系统，包括：

主控计算机；

通用可编程主控板，所述通用可编程主控板用于连接后插板及主控计算机，包含有FPGA、后插板电源监控电路、CPCI接口电路、双向IO(Input/Output，输入输出)电路，通用可编程主控板、后插板、主控计算机通过CPCI背板进行连接，所述通用可编程主控板的主芯片采用FPGA，所述通用可编程主控板通过双向IO电路对后插板的接口电路进行控制及数据交换；通过CPCI接口与主控计算机进行数据交换；通过后插板电源监控电路控制并监视后插板的供电情况；

在此，本发明实施例的通用可编程主控板主要完成对后插板的接口控制及对主控计算机的数据交换，通用可编程主控板的主芯片采用FPGA实现，由于FPGA具有可编程特性，根据测试任务的不同可以下载不同的FPGA程序，以便实现不同的功能；

后插板，用于连接被测设备及所述通用可编程主控板，包含CPCI接口电路及被测设备接口电路。

在此，由于后插板与被测设备的连接关系及接口电路与本发明所描述设计无直接关系，因此本发明只描述后插板与通用可编程主控板的相关接口关系。

本发明实施例中所包含的主控计算机、CPCI机箱、CPCI背板等因为属于通用设备，不存在不可替换性，因此这里不作详述。

为了在不增加硬件成本并保持较高测试效率的前提下，实现基于CPCI架构的自动测试设备的后插板热切换功能，本发明实施例提供了一种基于CPCI架构的后插板热切换系统。

本发明实施例除了符合CPCI标准的CPCI机箱、CPCI主控计算机、CPCI背板外，CPCI板卡按照实现功能的不同，主要分为两种：通用可编程主控板、后插板。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，后插板切换前，主控计算机软件向所述通用可编程主控板的PCI空间指定地址写入相应后插板断电指令字；

所述通用可编程主控板的板载FPGA接收到后插板断电指令字后，控制板载继电器切断后插板供电；

后插板切换后，主控计算机向所述通用可编程主控板的PCI空间指定地址写入相应后插板通电指令字；

所述通用可编程主控板的板载FPGA接收到后插板通电指令字后，控制板载继电器恢复后插板供电；

在以上步骤完成后，主控计算机将对应新后插板的配置文件通过CPCI总线发送给通用可编程主控板的板载FPGA，FPGA在接收到新后插板配置文件后对FPGA相应区域进行部分重配置操作，配置完成后所述通用可编程主控板即完成对新后插板功能切换；

最后通用可编程主控板利用板载的双向IO电路访问新后插板的接口电路，实现对新后插板的数据交换及控制。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，所述通用可编程主控板与CPCI背板的接口分为双向IO接口及电源接口，通过所述双向IO接口，通用可编程主控板实现对所述后插板的控制及数据交换；通过所述电源接口，所述通用可编程主控板实现对所述后插板的供电控制。

在此，背板热切换功能实现原理如图1所示。通用可编程主控板与CPCI背板的接口分为双向IO接口及电源接口，而以上两种双向IO接口及电源接口是通过CPCI背板进行连接的。通过所述双向IO接口，通用可编程主控板实现对所述后插板的控制及数据交换；通过所述电源接口，所述通用可编程主控板实现对所述后插板的供电控制。为此，通用可编程主控板上提供了双向IO缓冲器电路及电源监控电路来实现以上功能。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，所述通用可编程主控板与所述主控计算机通过所述CPCI背板的J1接口进行连接，所述通用可编程主控板与后插板之间通过所述CPCI背板的J3接口、J5接插件进行连接。

在此，本发明实施例中，主控计算机、通用可编程主控板与后插板接口关系如图2所示。由于CPCI标准协议中J1接口为标准CPCI接口，这里不再详述，而J3、J5的接口属于用户自定义接口，所以本发明对J3、J5的信号进行了定义，其接口主要分为两类：电源接口(±12V、+5V、+3.3V)、双向IO接口(128位宽IO)。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，所述双向IO接口由FPGA的IO管脚连接至双向IO缓冲器芯片输出，双向IO缓冲器芯片的结构图如图3所示。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，通用可编程主控板的双向IO接口通过所述CPCI背板的J4接口或J 5接口与后插板连接。

本发明实施例中使用了128位的双向IO，使FPGA能够与不同后插板的接口芯片(如422总线、SPI总线)进行通信。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，所述后插板的±12V、+5V及+3.3V电源由所述CPCI背板的J1接口中的相应电源管脚经过通用可编程主控板的电源监控电路提供。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，以监控+12V电源为例，所述电源监控电路的原理框图如图4所示，所述电源监控电路包括电源监控芯片及继电器。为了避免后插板热插拔时可能引起的器件损坏，本发明实施例中使用了继电器来独立控制后插板的通断电，这样后插板断电时通用可编程主控板的供电不受影响。所述电源监控芯片用于对所连接电源的电流、电压等进行监控，所述继电器用于所连接电源的通断电。所述电源监控电路的控制端连接至通用可编程主控板的FPGA，从而使FPGA能够监控后插板的供电情况。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，所述电源监控芯片的数据接口(如图4中的SCL、SDA)连接至通用可编程主控板的板载FPGA上，同时板载FPGA输出1路IO用于控制继电器的通断。板载FPGA程序周期访问电源监控芯片的电源状态信息，同时监控主控计算机通过CPCI总线发送来的指令。当板载FPGA程序检测到背板断电指令时，板载FPGA通过继电器控制端口关闭继电器，进而切断后插板的供电，当FPGA程序检测到背板通电指令时，板载FPGA通过继电器控制端口开启继电器，进而恢复后插板的供电。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，在切换到新的后插板后，通用可编程主控板需要更新相应的后插板控制模块程序，以便完成对新后插板的控制及数据交换。为此本发明实施例使用了板载FPGA的DPR技术。DPR是一种动态修改FPGA逻辑模块的技术。通过该技术，设计师可以在不影响其他逻辑正常运行的同时，下载部分重配置比特流到FPGA以实现不同的功能，这样就极大提高了FPGA的设计灵活性。

本发明实施例中，板载FPGA的逻辑资源根据是否需要DPR可以分为两种：静态逻辑(不需要重配置)和动态逻辑(可重配置)。静态逻辑在运行过程中不能更改，而动态逻辑在FPGA运行过程中可根据需要进行动态修改。在前期设计阶段，可以在FPGA上划分出若干块固定的区域用于存放动态逻辑。这些区域可以在运行期间由外部或内部的配置端口注入不同的比特流，这样就可以使FPGA实现运行期间功能的动态切换。

本发明实施例中，DPR功能实现原理框图如图5所示。通用可编程主控板的板载FPGA内部划分为两部分：动态逻辑部分和静态逻辑部分。动态逻辑部分用于存放后插板控制程序。由于动态逻辑部分可以实现动态更新，因此可以根据不同类型的后插板存放不同的后插板控制程序；静态逻辑部分，用于存放其他不需要动态更新的程序，如CPCI接口模块、动态逻辑控制模块、电源监控模块等。

具体实施时，动态逻辑部分的更新通过板载FPGA内部的HWICAP(HardwareInternal Configuration Access Port，硬件内部配置访问接口)实现。HWICAP模块与FPGA内部的CPCI接口模块连接，以便主控计算机可以通过CPCI接口将后插板控制DPR比特流文件发送给通用可编程主控板更新后插板控制模块程序。

具体实施时，后插板控制DPR模块的接口可以根据实际应用需求进行定义，为了便于描述，本发明实施例中后插板控制DPR模块的接口描述如图6所示。

具体实施时，当需要切换后插板控制程序时，主控计算机的主控计算机软件将对应于当前后插板的后插板控制程序的DPR文件中的配置数据写入到通用可编程主控板的PCI空间对应寄存器中，通用可编程主控板的CPCI接口模块不断读取该寄存器中的数据，并将其通过HWICAP写入到后插板控制DPR模块的动态逻辑部分，当配置数据传送完毕，HWICAP会自动复位后插板控制DPR模块。后插板控制DPR模块利用通用可编程主控板的板载可编程时钟CLK_EXT_IN作为本地工作时钟，并完成初始化操作。初始化完成后，后插板控制DPR模块一方面通过BACK_OUT[127:0]、BACK_IN[127:0]、BACK_TRI[127:0]等端口与后插板的接口芯片进行数据交换，另一方面通过USR_OUT[31:0]、USR_OUT_EN、USR_OUT_CLK、USR_IN[31:0]、USR_IN_EN、USR_IN_CLK等端口与CPCI接口模块进行数据交换，如接口CPCI模块发送过来的控制指令并将状态信息反馈给CPCI模块。

本发明提供的基于CPCI架构的后插板热切换设计，通过一定的软硬件设计并利用FPGA的DPR(Dynamic Partial Reconfiguration，动态部分重配置)技术使基于CPCI架构的测试设备仅仅利用一块通用可编程主控板再配合不同的后插板就能够实现以往需要多块板卡才能实现的复杂测试任务。在实际测试中，通用可编程主控板的后插板控制程序可以由主控计算机软件在线配置，且在配置过程中不需要关闭整台测试设备，因此能够有效提高测试设备的测试效率。

本发明的基于CPCI架构的后插板热切换系统一实施例中，针对不同功能的后插板控制DPR比特流文件是通过图7所示步骤产生的，描述如下：

S101：确定通用可编程主控板板载FPGA中需要进行DPR操作的后插板控制DPR模块的区域大小，并在FPGA开发环境中进行设置；

S102：根据不同后插板所需要实现的功能编写各后插板控制DPR模块代码，并保证代码的正确性；

S103：使用FPGA开发环境对S102阶段编写的各个模块进行综合、布局、布线操作，最后生成每个模块对应的后插板控制DPR模块配置比特流文件。

后插板热切换方法包括以下步骤：

S201：一旦检测到需要进行后插板热切换操作，主控计算机软件通过CPCI总线发送后插板断电指令给通用可编程主控板。

如图8所示，本发明实施例中是通过向通用可编程主控板的PCI空间指定地址写入特定指令字的方式实现。

S202：通用可编程主控板板载FPGA一旦检测到后插板断电指令，就会控制其板载的继电器切断后插板的供电。

S203：取出后插板1，替换成后插板2。

S204：后插板2安装完成后，主控计算机软件通过CPCI总线发送后插板通电指令给通用可编程主控板。本发明实施例中是通过向通用可编程主控板的PCI空间指定地址写入特定指令字的方式实现。

S205：通用可编程主控板板载FPGA一旦检测到后插板通电指令，就会控制其板载的继电器恢复后插板的供电。

S206：主控计算机软件打开对应于后插板2的后插板控制DPR模块配置比特流文件，并将文件中数据通过CPCI总线发送给通用可编程主控板，并直到所有数据传输完成。通用可编程主控板板载FPGA持续接收由主控计算机软件发送过来的后插板2的后插板控制DPR模块配置比特流数据。本发明实施例中，通用可编程主控板板载FPGA将这些数据通过HWICAP注入后插板控制DPR模块所在的动态配置区。一旦所有数据发送完毕，通用可编程主控板板载FPGA检测后插板控制DPR模块初始化状态。

S207～S208：一旦检测到后插板控制DPR模块初始化失败，通用可编程主控板板载FPGA则会通过CPCI总线返回错误状态给主控计算机，并重复步骤S206。

S209：一旦检测到后插板控制DPR模块初始化成功，则完成此次后插板热切换操作。

综上所述，为了解决以上问题，本发明提出了一种基于CPCI架构的后插板热切换系统，保证了在不关闭整个测试设备的情况下，实现测试设备后插板的热切换，从而快速切换测试设备的测试功能。这样既能有效降低硬件成本，又能保证较高的测试效率，且除了常规的插拔板卡操作，其余操作全部可由软件完成，这就有效降低了板卡损坏的概率。

本发明实施例提供一种基于CPCI架构的后插板热切换的方法，包括：

在需要进行后插板热切换操作时(比如用不同功能的后插板2替换现有设计中的后插板1)，主控计算机控制功能前插板(后面称为通用可编程主控板)切断后插板的供电；后插板断电后，操作人员拔出后插板1，插入后插板2；更换完后插板，主控计算机控制通用可编程主控板恢复后插板的供电；恢复供电后，主控计算机将对应后插板2功能的软件写入通用可编程主控板，完成后插板功能的切换；功能切换完成后，通用可编程主控板通过CPCI背板与后插板进行数据交换，实现对新后插板的控制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。