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基于COM Express模块的安全开关机方案

2014/12/23    来源:兵工自动化    作者:秦友伦  袁强  涂炯      
关键字:嵌入式计算机  CPCI  COM Express模块  安全开关机  
为解决特殊嵌入式计算机在非ATX 电源供电情况下,因非安全开关机造成的系统崩溃、损坏丈件系统等问题,设计一种基于COM Express模块的非ATX电源安全开关机方法。通过控制PS ON引脚来开启或关闭电源,给出安全开关机单元原理框图,从开关控制单元设计、CPLD控制单元设计对硬件进行设计介绍,并使用VerilogHDL语言进行软件设计,并已成功应用于某型号项目中。结果表明该方法有效可行,能实现物理开关机转换为软开关机功能,保证系统的安全关机。

0 引言

  在工业控制、军用计算机领域中, 由于其特殊的功需求及苛刻使用环境要求,此类计算机多为定制计算机,基于CPCI结构及COM Express模块的嵌入式设计方案为其首选方案,具有开发周期短,结构可定制化,升级方便等优点。COM Express模块中的X86架构嵌入式计算机是主流的CPU架构,其开关机管理主要是针对ATX电源设计。但在军用控制计算机领域,环境条件要求十分苛刻,普通ATX 电源很难满足这种使用环需求, 多采用高可靠、高性能的电源模块提供系统电源。这些电源模块是通过使能管脚进行控制的,在关机时如果不判断操作系统是否安全退出,就直接通过电源模块的使能引脚关闭电源,容易导致系统崩溃、损坏文件信息、甚至损坏硬件。笔者设计一种基于COM Express模块的非ATX电源安全开关机电路,使用CPLD检测COM Express模块提供的系统电源状态,判断操作系统是否安全启动,是否安全退出,并为系统提供安全开关机功能。

1 技术简介

  1.1 COM Express模块简介

  COM Express是PICMG定义的计算机模块标准,由几大嵌入式工业计算机厂商共同制定,是ETX、XTX、Qseven等标准的一个升级版本。在COM Express规范中引入了高速计算机接口为主的一些标准,包括PCI Express、SATA、干兆网、SDVO等,适合于在标准的单板计算机因结构或扩展性限制时使用。由于COM Express规定了统一的用户接口,方便系统硬件升级,特别适用于设计自定义的工业、军用计算机。设计时用户只需根据实际需要,专注于COM Express载板及相关接口的设计,把CPU模块交由专业的厂商设计,这样开发周期短,可靠性也会得到很大的提高。

  1.2 COM Express模块中的电源状态管理

  COM Express规范中为操作系统定义了G3、S5、S4、S3、S0共5种电源状态、用3个信号量SUS_S5#、SUS_S4#、SUS_S3#组合来标识这5种电源状态,其定义如表1所示。

表1 COM Express电源状态
COM Express电源状态

  在G3状态下,系统除了使用BIOS电池为RTC时钟供电外,其外部电源通过机械开关完全断开;S0状态是正常工作状态;S5、S4、S3状态由系统软件管理实现。当系统处于S5、S4、S3状态时除了使用5V_Standby电源供电外, 不需要主电源12V、5V等供电。通常所说的全安关机指的是系统运行软关机命令后处于S5状态。可以通过SUS_S5#、SUS_S4#、SUS_S3#的状态判断系统所处的状态,只有检测到系统已安全关机后,才能断开系统电源,保证系统安全。

2 总体设计

  在ATA电源供电情况下, 可以通过控制其PS_ON引脚来开启或关闭电源。但在使用高性能的电源模块供电时,一般是通过其使能引脚进行控制的。本设计中的安全开关机电路主要包括CPLD控制单元、开关控制单元、时钟单元和电源模块单元,其原理框图如图1所示。CPLD控制单元主要完成系统状态读取、开关状态读取、电源模块使能控制、定时功能; 开关控制单元主要完成电源模块使能开关的控制;时钟单元主要是为CPLD提供本地时钟。电源模块单元主要为系统提供+12V、+5V、+3.3V等电源。

安全开关机单元原理框图

图1 安全开关机单元原理框图

责任编辑:陈浩
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