Шины для констуктива "Евромеханика"
Модульная система "Евромеханика" широко применяется для
приборов промышленного назначения и инструменальных систем. Это
международный стандарт на типоразмеры и конструктивы печатных плат,
модулей, субблоков, блоков и 19-дюймовых шкафов и стоек. В зависимости
от сложности устройств, стандарт позволяет выбирать подходящий размер
модулей и плат (см. рис. 2). Модуль представляет собой плату с некоторым
внешним оформлением - передней панелью и, возможно, кожухом. В
дальнейшем для краткости будем упоминать лишь модули, но практически все
сказанное будет относиться и к платам. Модули устанавливаются в каркасы
блоков и с помощью коннекторов (разъемов), установленных на задней
стороне их плат, соединяются с кросс-платой. Обычно на кросс-плате
имеется шина (bus), объединяющая модули и подводящая к ним
стандартные напряжения питания. Поскольку коннекторы J2 и J3
присутствуют только в больших форматах, магистральная шина, объединяющая
модули, использует коннектор J1. Шина может использовать не все контакты
коннектора, часть контактов выделяется под произвольное использование
конкретным модулем в конкретном устройстве. Таким образом к модулю могут
подводиться внешние цепи. Для подключения внешних цепей может
использоваться и лицевая панель модуля, тогда на ней устанавливают
разъемы или (и) клеммные колодки. С точки зрения охлаждения идеальной
является композиция, в которой и модули, и задняя панель (кросс-плата)
располагаются в вертикальных плоскостях (такое положение и будем
подразумевать в дальнейшем). При небольшом числе модулей применяют и их
горизонтальное расположение. Часто конструкция каркаса допускает
установку модулей разной высоты, что делает конструктив более гибким.
Все модули (и платы) устанавливаются в направляющие полозья и имеют
надежную систему фиксации с обоих сторон - и сверху, и снизу (это далеко
не условный крепеж с помощью одной скобочки, принятый в PC). Модули
вынимаются с помощью специальных механических экстракторов. В качестве
коннекторов, соединяющих модули с кросс-платой, обычно применяются
разъемы со штырьковыми контактами, у которых все параметры (кроме цены)
значительно лучше, чем у печатных ламельных разъемов карт PC.
Основательность системы крепления и присоединения модулей и позволяет
использовать данный конструктив в жестких условиях эксплуатации. Степень
защищенности блока с модулями можно варьировать в зависимости от
условий, помещая его в пыле- влаго- брызго- (и т. п.) защищенный корпус,
применяя, при необходимости, и кондиционирование воздуха.
Рис. 2. Типоразмеры плат Кросс-плата (backplane), хоть и является пассивной,
заслуживает особого внимания. Подразумевается, что этот центральный по
положению элемент конструкции не должен являться источником каких-либо
неприятностей, из-за которых его бы потребовалось заменять в процессе
эксплуатации устройства. Кросс-плата представляет собой специфическую
многослойную печатную плату. Рассмотрим ее основные функции и связанные
с ними конструктивные решения.
Во-первых, кросс-плата является
механическим несущим элементом для коннекторов присоединения модулей.
Прогибаться при установке плат, как это происходит с системной платой PC
во время установки карт расширения, ей "не к лицу". Прочность
кросс-платы обеспечивается толщиной используемого материала, а также
усиливающими элементами каркаса.
Во-вторых, кросс-плата разводит по
модулям питающие напряжения. При большом количестве и высокой сложности
установленных модулей суммарный ток потребления по общему проводу и
самой популярной шине питания +5 В может достигать десятков ампер. При
этом возникают проблемы с обеспечением нулевой разности потенциалов
между "землями" модулей, а также фильтрации импульсных помех. Для
снижения внутреннего сопротивления шин земли и питания их располагают в
нескольких слоях печатной платы, а рисунок шин, обеспечивающий хорошие
показатели, является "ноу-хау" фирм, выпускающих кросс-платы. В больших
кросс-платах применяют дополнительные внешние металлические шины для
общего провода и основной шины питания. Для подавления импульсных помех
по всей площади платы распределяют блокирующие конденсаторы.
В-третьих, кросс-плата служит для передачи сигналов объединяющих шин
между модулями. С учетом высоких частот, на которых работают современные
шины (Compact PCI - 33 и даже 66 МГц), и больших размеров плат, развести
большое количество сигналов с приемлемым уровнем перекрестных наводок -
задача не простая. Здесь уже сигнальные проводники рассматриваются как
длинные линии, и их основной параметр - импеданс (волновое
сопротивление) - обычно нормируется. Так что подключаемые модули должны
иметь адекватный импеданс, а на концах линий устанавливают терминаторы,
причем зачастую не пассивные (резистивные), а активные, имеющие лучшие
динамические характеристики. Терминаторы могут быть как запаяны на
кросс-плату (on-board terminators), так и внешними, устанавливаемые на
крайние разъемы кросс-платы. Внешние терминаторы, конечно, дороже, но
когда речь идет о минимизации времени поиска неисправности (которая
может быть и в терминаторе) и восстановления работоспособности, лучше
иметь съемный терминатор. Впрочем, терминаторы могут быть и встроенными
в модули.
Коннекторы кросс-платы по устройству обычно сложнее
щелевых разъемов-слотов традиционных шин PC. Для них, как и всех
компонент магистральной шины, также нормируется импеданс. Тип
применяемых коннекторов определяется используемой магистральной шиной, а
вот их часть, расположенная сзади кросс-платы, может иметь разлиные
варианты. Если коннектор используется только для подключения модуля к
магистральной шине, то его задняя сторона интереса не представляет.
Однако во многих случаях на эти коннекторы выводят цепи, не разведенные
печатными проводниками по кросс-плате (для несерийных устройств
разводить специальную кросс-плату бывает нецелесообразно). Соединения
могут быть как межмодульными, так и внешними. Для подключения этих цепей
есть разные способы. Простейший - применение коннекторов с длинными
штырьковыми выводами, сильно выступающими за заднюю плоскость
кросс-платы. К этим выводам могут подсоединяться внешние проводники,
например, с помощью накрутки. Более сложный, но и более универсальный
вариант - применение двустороннего коннектора (рис. 3). При этом
подключение внешних цепей осуществляется с помощью разъемного
соединения. Двусторонние коннекторы применяют и для чисто магистрального
подключения - на крайних посадочных местах кросс-платы они могут
использоваться для подключения внешних терминаторов. Такое решение
позволяет экономить посадочные места - они не расходуются на терминаторы
и все доступны.
Рис. 3. Двусторонний коннектор Конечно, в конструктивах и кросс-платах есть еще много особенностей и
нюансов - здесь перечислены лишь некоторые из них, дающие возможность
почувствовать разницу между конструкцией массовых PC и их "серьезных"
промышленных и инструментальных собратьев.
Теперь перейдем к
магистральным шинам, используемым в евромодулях.
Шина
Compact PCI (cPCI) разрабатывалась на основе спецификации PCI
версии 2.1. От обычной PCI эта шина отличается большим количеством
поддерживаемых слотов для одной шины: 8 против 4. Всвязи с этим
появились новые 4 пары сигналов запросов и предоставления управления
шиной. Шина поддерживает 32-битные и 64-битные обмены (с индивидуальным
разрешением байт). При частоте шины 33 МГц максимальная пропускная
способность составляет 133 Мб/с для 32 бит и 266 Мб/с для 64 бит (в
середине пакетного цикла). Возможна работа и на частоте 66 МГц, при этом
производительность удваивается. Шина поддерживает спецификацию PnP - в
ней работают все механизмы идентификации и автоконфигурирования,
имеющиеся в PCI. Кроме того, в шине возможно применение географической
адресации, при которой адрес модуля (на который он отзывается при
программном обращении) определяется его положением в каркасе. Для этого
на коннекторе J1 имеются контакты GA0...GA4, коммутацией которых на
"землю" для каждого слота может быть задан его двоичный адрес.
Географическая адресация позволяет переставлять однотипные модули, не
заботясь о конфигурировании их адресов (хорошая альтернатива системе PnP
- здесь модуль "встанет" всегда в одни и те же адреса, которые без
физического вмешательства ничем не собъются). Конструктивно платы
Compact PCI представляют собой еврокарты высотой 3U (100 x 160 мм) с
одним коннектором или 6U (233 x 160 мм) с двумя коннекторами. Коннекторы
- 7-рядные штырьковые разъемы с шагом 2 мм между контактами, на
кросс-плате - вилка, на модулях - розетки. Контакты коннекторов имеют
разную длину: более длинные контакты цепей питания при установке модуля
соединяются раньше, а при вынимании разъединяются позже, чем сигнальные.
Такое решение закладывает основу для реализации возможности "горячей"
замены модулей. Собственно шина использует только один коннектор (J1),
причем в 32-битном варианте не полностью - часть контактов выделяются на
использование по усмотрению пользователя. 64-битная шина использует
коннектор полностью. Одно посадочное место на кросс-плате резервируется
под контроллер шины, на который возлагаются функции арбитража и
синхронизации. На его коннекторе шиной используется большее число
контактов, чем на остальных. У больших плат коннектор J2 отдается на
использование по усмотрению пользователя (разработчика), а между
коннекторами J1 и J2 может устанавливаться 95-контактный коннектор J3.
Конструкция коннекторов позволяет для J2 применять специфические
модификации, в которых может, например, присутствовать разделяющий экран
и механические ключи. В шине предусматривается наличие независимых
источников питания +5 В, +3.3 В и +/-12 В.
На базе шины Compact PCI
фирмой National Instruments разработана спецификация PXI (PCI
eXtensions for Instrumentation - расширение PCI для инструменальных
систем) в тех же конструктивах. В шине PXI часть контактов, определенных
в Compact PCI как свободно используемые, предназначаются для
дополнительных шин. Шина Trigger Bus (8 линий) звездообразно соединяет
слот ее контроллера (первый после системного контроллера PCI) с
остальными слотами. Эта шина позволяет осуществлять синхронизацию
событий в разных модулях. Для прецизионной синхронизации имеется сигнал
опорной частоты 10 МГц PXI_CLK, который звездообразно (с одинаковыми
задержками распространения сигнала) разводится по слотам - такая точная
синхронизация модулей зачастую требуется в измерительных системах. В PXI
определены локальные шины, предназначенные для связи соседних пар
слотов. Каждая локальная шина имеет 13 линий, которые могут
использоваться как для цифровых, так и аналоговых (до 48 В) сигналов.
Локальные шины объединяют смежные слоты попарно (исключая слот
системного контроллера), образуя цепочку (Daisy chain). Кроме
механических и электрических характеристик, PXI определяет и программное
обеспечение модулей: основной операционной системой принимается Windows
NT/95, и модули должны поставляться с соответствующими драйверами. Это
значительно сэкономит время, необходимое для системной интеграции.
Модули PXI совместимы с шиной Compact PCI, и наоборот - модули Compact
PCI будут работать и в шине PXI. Однако все преимущества спецификации
реализуются только при установки модулей PXI в шину PXI. Спецификация
PXI как расширение Compact PCI сильно напоминает расширение VXI для шины
VME.
Шина VME по возрасту намного старше Compact PCI - она
разрабатывалась в начале 80-х годов еще для 32-разрядных процессоров
Motorola 68010. В промышленных и инструментальных системах шина VME
получила широкое распространение, и для нее существует большой выбор
модулей, каркасов и т.д. Конструктивно VME использует те же форматы
плат, что и Compact PCI (справедливее было бы говорить в обратном
порядке, но здесь выпирают "Интело-Пи-Си'шные наклонности" автора). В
исходной версии VME используются трехрядные 96-контактные штырьковые
коннекторы, причем вилка ставится на модуле, а розетка - на кросс-плате.
С теми же коннекторами имеется и 64-разрядная версия шины - VME64.
Исходная шина VME (16/32 бит) имеет теоретическую максимальную
пропускную способность 40 Мб/с, расширенная VME64 - 80 Мб/с. На модули
разводится питание +5 В и (12 В.
В шине VME64x коннекторы
расширили до 160 контактов - по обеим сторонам коннектора J1 и J2 ввели
ряды дополнительных контактов для сигнальной "земли" и произвольного
использования. Конструкция этих дополнений позволяет устанавливать
модули VME (96 контактов) в шину VME64x (160 контактов) и наоборот,
правда при этом дополнительные ряды контактов не используются. Кроме
того, между разъемами J1 и J2 определен необязательный 95-контактный
коннектор J0 (идентичный коннектору J3 cPCI). В этой шине возможно
применение географической адресации модулей. Введены дополнительные шины
питания +3.3 В и +48 В с допустимым диапазоном от 38 В до 75 В, так что
питание +48 и +60 В, популярное в телекоммуникациях, укладывается в этот
диапазон. Шина обеспечивает возможность горячей замены модулей - имеются
контакты с опережающим соединением и запаздывающим разъединением.
Применяя в качестве буферных формирователей микросхемы ETL (Enhanced
Transceiver Logic), удается удвоить (до 160 Мб/с) пропускную
способность. Прорабатывается и вариант шины VME320 с пропускной
способностью 320 Мб/с.
Шина VXI (VME eXtension for
Instrumentation) является расширением VME для инструментальных систем.
Здесь в дополнение к форматам плат VME (A и B) могут применяться платы
форматов C (233 x 340) и D (367 x 340 - высота 9U) и определяются
функции коннектора J2. Конструктив предусматривает возможность полного
экранирования модулей. По локальным и триггерным шинам VXI и PXI
практически совпадают (VXI была первой).
Шины VME и VXI, конечно же,
для PC "не родные". Однако, как и для любой шины, для перехода к ним
могут использоваться мосты, согласующие протоколы обмена разнородных
шин. Мост (например, PCI-VME) может находиться на управляющем
(процессорном) модуле, и тогда PC-совместимый управляющий компьютер
получит доступ к модулям шины VME. Возможен вариант и наличия двух шин в
одном блоке - Compact PCI (PXI) и VME (VMX), а функции моста будет
выполнять связующий их модуль.
Кроме вышеописанных, существуют и
другие магистральные шины, рассчитанные на пассивные кросс-платы. К их
числу относятся Multibus (с ламельными печатными коннекторами) и
Multibus II (со штырьковыми разъемами) - разработка фирмы Intel,
сделанная еще для процессоров 8080 и 8086. Однако эти линии развиваться
практически перестали, и даже Intel, похоже, отказалась от поддержки
своего детища. Упомянем также, что есть и еще шины - например,
FUTUREBUS, STEbus, G-64/G-96 и другие.
|
