Сегодня в телекоммуникациях, промышленном, медицинском оборудовании и других отраслях широко распространен стандарт MicroTCA. Платы, входящие в состав систем MicroTCA, содержат наряду с цифровыми устройствами ряд аналоговых блоков. Поэтому эффективным решением для реализации многих блоков систем MicroTCA оказываются цифроаналоговые ПЛИС семейства Fusion компании Actel.
Стандарт MicroTCA – это ответвление стандарта AdvancedTCA, который изначально разрабатывался для телекоммуникаций и ориентирован на решение задач с чрезвычайно интенсивными потоками данных и высокой готовностью оборудования. Однако высокая стоимость оборудования AdvancedTCA ограничивает его применение.
В стандарте MicroTCA используются те же платы AdvancedMC, что и в AdvancedTCA, но не как мезонинные модули, а как платы, объединенные в специальном конструктиве, который называют крейт или полка. Такое решение позволило, при сохранении высокой надежности и пропускной способности, значительно сократить стоимость. В стандарте MicroTCA модули AdvancedMC работают как процессорные платы, платы ввода/вывода, хранения данных и т.д.
Типовая полка (крейт) MicroTCA включает в себя до 12 мезонинных плат AMC, один или два модуля хаба MCH, до четырех плат питания и до двух плат охлаждения (рис.1). Модули стандарта MicroTCA имеют небольшие габариты: 73,8×181,5 мм – стандартная плата и 148,8×181,5 мм – двойная плата.
Отличным решением для создания различных блоков системы MicroTCA могут стать ПЛИС Actel семейства Fusion [1–5]. Цифроаналоговая ПЛИС Fusion содержит непосредственно матрицу ПЛИС, блоки ОЗУ, FLASH ПЗУ объемом 1 кбит, FLASH ПЗУ объемом до 8 Мбит, часы реального времени, генераторы тактовой частоты и аналоговый блок, состоящий из АЦП и до 10 аналоговых модулей (рис.2). Каждый аналоговый блок содержит три измерительных канала – для измерения напряжения, тока и температуры – с интегрированными аналоговыми регулируемыми операционными усилителями, а также один управляющий выход повышенной мощности. На входы измерительных каналов аналогового блока ПЛИС Fusion можно напрямую подавать напряжение до 15 В.
Наличие в ПЛИС Fusion аналоговой периферии позволяет объединять в одной микросхеме аналоговые и цифровые контрольно-управляющие части различных модулей системы MicroTCA. В результате уменьшается число элементов системы, а следовательно ее габариты и энергопотребление.
Рассмотрим более подробно, как ПЛИС Fusion применяются в системах MicroTCA.
Мезонинный модуль
Каждый мезонинный модуль AMC содержит контроллер управления MMC (Module Management Controller) (рис.3). Он выполняет контроль основных параметров аппаратуры модуля: напряжения питания, токов потребления модуля AMC в целом и его отдельных функциональных блоков, температуры микросхем и ряда других.
Данные о состоянии модуля передаются по последовательной локальной шине интеллектуального мониторинга и управления IPMB-L (Intelligent Platform Management Bus – Local) центральному модулю, которым в стандарте МТСА выступает модуль МСН. В качестве интерфейсной шины IPMB-L используется последовательный канал передачи данных I2C. По этому же последовательному каналу центральный модуль может управлять питанием мезонинных модулей.
Для создания контроллера MMC удобно использовать ПЛИС Fusion. Возможности этой ПЛИС позволяют реализовать в ней аналоговую измерительную часть, контроллер I2C и небольшой контроллер, который ведет мониторинг питания и температуры, управляет режимом горячей замены, а также выполняет ряд дополнительных системных функций (см. рис.3).
Модуль питания
В функции модуля питания (рис.4) входят контроль и переключение источника входного напряжения, формирование вторичных напряжений для модулей крейта МТСА, контроль потребления по вторичным напряжениям для каждого модуля, защита цепей питания. Информация о статусе и парамет рах каналов питания модулей (включен, выключен, неисправен, значение тока и напряжения и др.) передается в модуль MCH по шине IPMB-0. По этой же шине модуль питания получает от модуля MCH команды управления. Для отладки и тестирования предусмотрен дополнительный интерфейс JTAG.
Питание каждого модуля системы (12 мезонинных, двух MCH и двух охлаждения) контролируется раздельно. Поэтому контроллер EMMC (Enhanced Module Management Controller), выполняющий мониторинг питания модулей системы и управление ими, должен иметь до 16 каналов для измерения напряжения и тока потребления, а также для управления питанием различных блоков.
Такой контроллер можно реализовать на базе ПЛИС Fusion. В ПЛИС Fusion есть до 10 аналоговых блоков, каждый из которых содержит по одному каналу измерения напряжения и тока, а также один выходной канал управления повышенной мощности. Поэтому в предлагаемом Actel решении для построения контролера используется обычно две ПЛИС Fusion. Контроллер разработан на платформе процессора 8051. В качестве IPMB-0-интерфейса используется последовательный интерфейс стандарта I2C.
Модуль хаба
Модуль хаба (МСН) является ключевым модулем крейта MicroTCA. Как правило, он объединяет в себе функции менеджера крейта и менеджера объединительной платы. Он выполняет функции "центра управления": формирует тактовый сигнал, обеспечивает непрерывный контроль питания, управляет питанием, температурой, отключением неисправных модулей и переключением резервированных модулей. Модуль МСН включает в себя также матрицу, которая обеспечивает коммутацию высокоскоростных информационных каналов от системных модулей или другой полки к мезонинным модулям и контроллеру управления и мониторинга модулей данной полки (рис.5).
Функции менеджера полки и контроллера управления объединительной платой (MCMC – MicroTCA Carrier Management Controller), управляющего матрицей коммутации каналов, легко реализовать в ПЛИС Fusion с помощью стандартных IP-модулей. Для контроля питающих напряжений и токов модуля хаба и температуры отдельных его элементов можно использовать аналоговый блок ПЛИС Fusion.
Функции менеджера полки и контроллера управления объединительной платой (MCMC – MicroTCA Carrier Management Controller), управляющего матрицей коммутации каналов, легко реализовать в ПЛИС Fusion с помощью стандартных IP-модулей. Для контроля питающих напряжений и токов модуля хаба и температуры отдельных его элементов можно использовать аналоговый блок ПЛИС Fusion.
Таким образом, на базе ПЛИС Fusion можно эффективно реализовать целый ряд блоков системы MicroTCA (рис.6).
Actel совместно с компанией Pigeon Point предлагает законченные программные и аппаратные решения, реализующие основные элементы управления MicroTCA для мезонинных плат (АMC), модулей питания, модулей хаба MCH и модулей охлаждения. Для этого Actel выпускает микросхемы ПЛИС P1Fusion, адаптированные для применения IP-ядер фирмы Pigeon Point.
При разработке новых модулей под стандарт MicroTCA применение ПЛИС Fusion делает создание и отладку проектов значительно проще. В первую очередь это касается аналоговой части, поскольку легче изменять параметры самого измерительно-управляющего аналогового тракта – без доработки аппаратной части. Немаловажно и наличие в среде разработки проектов под ПЛИС Actel Libero IDE большого количества бесплатных IP-ядер различных контроллеров и процессоров, таких как I2C, UART, 8051, Cortex-M1 и др., которые можно использовать в блоках систем MicroTCA. Это значительно сокращает время разработки и стоимость новых модулей MicroTCA.
Литература
1. Карпов С. Fusion: новое семейство цифроаналоговых ПЛИС. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, № 7.
2. Карпов С. Разработка систем на кристалле на базе ПЛИС Actel. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, № 2.
3. Actel Fusion FPGAs Supporting Intelligent Peripheral Management Interface (IPMI) Applications. – Application Note AC287, Actel Co. 10/2006 – www.actel.com.
4. MicroTCA. – Application Note AC287, Actel Co.10/2006. – www.actel.com.
5. PICMG MTCA.0 R1.0. Micro Telecommunications Computing Architecture Short Form Specification, September 21, 2006 – www.picmg.org.
В стандарте MicroTCA используются те же платы AdvancedMC, что и в AdvancedTCA, но не как мезонинные модули, а как платы, объединенные в специальном конструктиве, который называют крейт или полка. Такое решение позволило, при сохранении высокой надежности и пропускной способности, значительно сократить стоимость. В стандарте MicroTCA модули AdvancedMC работают как процессорные платы, платы ввода/вывода, хранения данных и т.д.
Типовая полка (крейт) MicroTCA включает в себя до 12 мезонинных плат AMC, один или два модуля хаба MCH, до четырех плат питания и до двух плат охлаждения (рис.1). Модули стандарта MicroTCA имеют небольшие габариты: 73,8×181,5 мм – стандартная плата и 148,8×181,5 мм – двойная плата.
Отличным решением для создания различных блоков системы MicroTCA могут стать ПЛИС Actel семейства Fusion [1–5]. Цифроаналоговая ПЛИС Fusion содержит непосредственно матрицу ПЛИС, блоки ОЗУ, FLASH ПЗУ объемом 1 кбит, FLASH ПЗУ объемом до 8 Мбит, часы реального времени, генераторы тактовой частоты и аналоговый блок, состоящий из АЦП и до 10 аналоговых модулей (рис.2). Каждый аналоговый блок содержит три измерительных канала – для измерения напряжения, тока и температуры – с интегрированными аналоговыми регулируемыми операционными усилителями, а также один управляющий выход повышенной мощности. На входы измерительных каналов аналогового блока ПЛИС Fusion можно напрямую подавать напряжение до 15 В.

Рис.1. Типовая структура полки MicroTCA
Наличие в ПЛИС Fusion аналоговой периферии позволяет объединять в одной микросхеме аналоговые и цифровые контрольно-управляющие части различных модулей системы MicroTCA. В результате уменьшается число элементов системы, а следовательно ее габариты и энергопотребление.

Рис.2. Внутренняя структура ПЛИС Fusion
Рассмотрим более подробно, как ПЛИС Fusion применяются в системах MicroTCA.
Мезонинный модуль
Каждый мезонинный модуль AMC содержит контроллер управления MMC (Module Management Controller) (рис.3). Он выполняет контроль основных параметров аппаратуры модуля: напряжения питания, токов потребления модуля AMC в целом и его отдельных функциональных блоков, температуры микросхем и ряда других.
Данные о состоянии модуля передаются по последовательной локальной шине интеллектуального мониторинга и управления IPMB-L (Intelligent Platform Management Bus – Local) центральному модулю, которым в стандарте МТСА выступает модуль МСН. В качестве интерфейсной шины IPMB-L используется последовательный канал передачи данных I2C. По этому же последовательному каналу центральный модуль может управлять питанием мезонинных модулей.
Для создания контроллера MMC удобно использовать ПЛИС Fusion. Возможности этой ПЛИС позволяют реализовать в ней аналоговую измерительную часть, контроллер I2C и небольшой контроллер, который ведет мониторинг питания и температуры, управляет режимом горячей замены, а также выполняет ряд дополнительных системных функций (см. рис.3).

Рис.3. Реализация MMC на ПЛИС Fusion
Модуль питания
В функции модуля питания (рис.4) входят контроль и переключение источника входного напряжения, формирование вторичных напряжений для модулей крейта МТСА, контроль потребления по вторичным напряжениям для каждого модуля, защита цепей питания. Информация о статусе и парамет рах каналов питания модулей (включен, выключен, неисправен, значение тока и напряжения и др.) передается в модуль MCH по шине IPMB-0. По этой же шине модуль питания получает от модуля MCH команды управления. Для отладки и тестирования предусмотрен дополнительный интерфейс JTAG.
Питание каждого модуля системы (12 мезонинных, двух MCH и двух охлаждения) контролируется раздельно. Поэтому контроллер EMMC (Enhanced Module Management Controller), выполняющий мониторинг питания модулей системы и управление ими, должен иметь до 16 каналов для измерения напряжения и тока потребления, а также для управления питанием различных блоков.

Рис.4. Схема питания полки MicroTCA
Такой контроллер можно реализовать на базе ПЛИС Fusion. В ПЛИС Fusion есть до 10 аналоговых блоков, каждый из которых содержит по одному каналу измерения напряжения и тока, а также один выходной канал управления повышенной мощности. Поэтому в предлагаемом Actel решении для построения контролера используется обычно две ПЛИС Fusion. Контроллер разработан на платформе процессора 8051. В качестве IPMB-0-интерфейса используется последовательный интерфейс стандарта I2C.
Модуль хаба
Модуль хаба (МСН) является ключевым модулем крейта MicroTCA. Как правило, он объединяет в себе функции менеджера крейта и менеджера объединительной платы. Он выполняет функции "центра управления": формирует тактовый сигнал, обеспечивает непрерывный контроль питания, управляет питанием, температурой, отключением неисправных модулей и переключением резервированных модулей. Модуль МСН включает в себя также матрицу, которая обеспечивает коммутацию высокоскоростных информационных каналов от системных модулей или другой полки к мезонинным модулям и контроллеру управления и мониторинга модулей данной полки (рис.5).

Рис.5. Структура модуля MCH
Функции менеджера полки и контроллера управления объединительной платой (MCMC – MicroTCA Carrier Management Controller), управляющего матрицей коммутации каналов, легко реализовать в ПЛИС Fusion с помощью стандартных IP-модулей. Для контроля питающих напряжений и токов модуля хаба и температуры отдельных его элементов можно использовать аналоговый блок ПЛИС Fusion.

Рис.6. Архитектура крейта MicroTCA с использованием решений на ПЛИС Fusion
Функции менеджера полки и контроллера управления объединительной платой (MCMC – MicroTCA Carrier Management Controller), управляющего матрицей коммутации каналов, легко реализовать в ПЛИС Fusion с помощью стандартных IP-модулей. Для контроля питающих напряжений и токов модуля хаба и температуры отдельных его элементов можно использовать аналоговый блок ПЛИС Fusion.
Таким образом, на базе ПЛИС Fusion можно эффективно реализовать целый ряд блоков системы MicroTCA (рис.6).
Actel совместно с компанией Pigeon Point предлагает законченные программные и аппаратные решения, реализующие основные элементы управления MicroTCA для мезонинных плат (АMC), модулей питания, модулей хаба MCH и модулей охлаждения. Для этого Actel выпускает микросхемы ПЛИС P1Fusion, адаптированные для применения IP-ядер фирмы Pigeon Point.
При разработке новых модулей под стандарт MicroTCA применение ПЛИС Fusion делает создание и отладку проектов значительно проще. В первую очередь это касается аналоговой части, поскольку легче изменять параметры самого измерительно-управляющего аналогового тракта – без доработки аппаратной части. Немаловажно и наличие в среде разработки проектов под ПЛИС Actel Libero IDE большого количества бесплатных IP-ядер различных контроллеров и процессоров, таких как I2C, UART, 8051, Cortex-M1 и др., которые можно использовать в блоках систем MicroTCA. Это значительно сокращает время разработки и стоимость новых модулей MicroTCA.
Литература
1. Карпов С. Fusion: новое семейство цифроаналоговых ПЛИС. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, № 7.
2. Карпов С. Разработка систем на кристалле на базе ПЛИС Actel. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, № 2.
3. Actel Fusion FPGAs Supporting Intelligent Peripheral Management Interface (IPMI) Applications. – Application Note AC287, Actel Co. 10/2006 – www.actel.com.
4. MicroTCA. – Application Note AC287, Actel Co.10/2006. – www.actel.com.
5. PICMG MTCA.0 R1.0. Micro Telecommunications Computing Architecture Short Form Specification, September 21, 2006 – www.picmg.org.
Отзывы читателей