四創(chuàng)電子股份有限公司 廖 芹

本文提供了一種新型的地址總線取址方法，用于一些插槽機(jī)箱的背板接口的地址映射，便于數(shù)據(jù)通信。即通過SPI總線與CPU進(jìn)行通信，IO資源占用少；通過分壓取地址的方式，只需改變背板的分壓電阻值，細(xì)分電壓檔位就可以擴(kuò)展插槽；且取址方法精度高，任何一個(gè)功能模塊插在這個(gè)插槽里面，通過AD采集，處理器即可通過SPI總線的通信方式得知功能模塊的地址。

為了實(shí)現(xiàn)更多的功能，很多機(jī)箱的背板上設(shè)置有很多插槽即硬件接口，通過插槽與一些可插拔的功能模塊進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)某些特定的功能。為了便于與這些功能模塊進(jìn)行通信或者對(duì)這些功能模塊進(jìn)行監(jiān)控，通常需要為各個(gè)插入插槽的功能模塊分配唯一的地址。

目前，常采用如下方法進(jìn)行硬件地址分配。在背板的插槽上設(shè)置多個(gè)用于分配硬件地址的引腳，各引腳的信號(hào)輸出可以為1或0。通過各引腳的數(shù)字信號(hào)1或0的組合，實(shí)現(xiàn)硬件地址的多樣化，這樣CPU通過檢測(cè)各引腳的電平就能得到該插槽的地址。例如當(dāng)背板上有16個(gè)插槽時(shí)，可以在每個(gè)插槽上設(shè)置四個(gè)引腳，通過0/1編碼的方式，四位地址編碼從0000到1111，共有2的4次方即16個(gè)地址。但是當(dāng)插槽需要擴(kuò)展到32個(gè)插槽時(shí)，就需要32個(gè)硬件地址，那么插槽上的引腳個(gè)數(shù)需要從4個(gè)增加到5個(gè)。在硬件電路設(shè)計(jì)中，就可能會(huì)因?yàn)镃PU的I/O資源不夠，需重新進(jìn)行選型，增加設(shè)計(jì)開發(fā)周期，增加硬件成本，從而不利于插槽的擴(kuò)展。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

為了方便插槽的擴(kuò)展和合理使用CPU的IO資源，我們提出一種新的地址取址方法，且提出不同的電壓檔位，得到不同的電阻取值。其設(shè)計(jì)的主要步驟如下：

（1）硬件電路設(shè)計(jì)的基本原理（框圖如圖1所示）

圖1 電路原理示意圖

LDO電源轉(zhuǎn)換芯片REF196主要提供精準(zhǔn)的3.3V電壓，LDO的精度范圍-2mv～+2mv。REF196給AD轉(zhuǎn)換芯片AD7910獨(dú)立供電。AD7910采用10bit的采樣速率進(jìn)行AD采集，共有1024檔位。AD7910通過SPI總線方式與ARM進(jìn)行通信。

（2）將背板接口地址ADC_addr作為AD7910的輸入，采用分壓的方式取地址，原理圖如圖2所示。

插槽第一端電壓（即背板插槽分壓電壓）V_ADC與插槽電阻（即背板分壓電阻）Rn的關(guān)系如下所示：

其中n=1，2…m，m為插槽的個(gè)數(shù)，VCC為Vout_3.3V與GND電壓的差值。

取VCC=3.3V，R1=1K(精度為1%)，若電壓取0.1V/檔，可以擴(kuò)展成33個(gè)插槽，0.15V/檔就是22個(gè)插槽，0.2V/檔就是16個(gè)插槽，同時(shí)能夠保證系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度。

（3）AD7910通過SPI總線方式與ARM進(jìn)行通信，ARM掃描得到區(qū)間信息，分段區(qū)間與相應(yīng)插槽編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表1所示，AD7910采用10bit的采樣速率進(jìn)行AD采集，共有1024檔位。AD采樣精度：3.3V÷1024≈3.3mV；本方案中取0.15V/檔，則分段區(qū)間為：0.15V÷3.3mV≈ 45.45mV。

將上述1024個(gè)檔位均勻分成22個(gè)檔位區(qū)間，去掉頭、尾各一個(gè)取中間的20個(gè)檔位區(qū)間，這20個(gè)檔位區(qū)間與插槽標(biāo)號(hào)1-20一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)電壓和檔位的關(guān)系以及上述檔位區(qū)間，將采樣基準(zhǔn)電壓3.3V均勻分成20個(gè)電壓區(qū)間，所述的電壓和檔位的關(guān)系為電壓=（采樣基準(zhǔn)電壓/最大檔位）*檔位區(qū)間端點(diǎn)值，即電壓=（3.3V/1024）*檔位區(qū)間端點(diǎn)值，電壓區(qū)間如表1所示，所述20個(gè)電壓區(qū)間亦與插槽標(biāo)號(hào)1-20一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)所述插槽電阻與第一端電壓V_ADC的對(duì)應(yīng)關(guān)系（即式2）和上述20個(gè)電壓區(qū)間得到20個(gè)電阻區(qū)間（請(qǐng)參照表1）。為所述插槽電阻取值時(shí)插槽編號(hào)為1的插槽電阻R1取對(duì)應(yīng)的第一電阻區(qū)間內(nèi)的值，依此類推，插槽編號(hào)為20的插槽電阻R20取對(duì)應(yīng)的第二十個(gè)電阻區(qū)間內(nèi)的值。為提高采樣可靠性，在電阻選取時(shí)，選擇AD分段區(qū)間中間值所對(duì)應(yīng)的電阻值，即電阻區(qū)間的中間值，亦即表1所示的標(biāo)稱電阻值，保證采樣具有最高的穩(wěn)定性及可靠性。在電路設(shè)計(jì)中，AD采樣的電壓值，除了電阻配比外，還由供電電壓的穩(wěn)定性決定，在本設(shè)計(jì)方案中，采用REF196的輸出電源為AD采樣的參考電壓，由REF196自身電氣特性決定，3.3V最大壓降為100mV，在設(shè)計(jì)分段區(qū)間是采用每46等份為一分段區(qū)間，對(duì)應(yīng)的電壓值為：46*3.3mV=151.8mV，對(duì)分段區(qū)間及AD采樣獲取的地址無影響，具有較高魯棒性。

表1 AD檔位、電壓、電阻分區(qū)示意圖

當(dāng)需要擴(kuò)展插槽時(shí)，可根據(jù)需求設(shè)計(jì)新的配置方案，便于插槽擴(kuò)展，系統(tǒng)升級(jí)。同時(shí)本文中的背板和取址方法具有高靈敏度、高精度、高可靠性。

2 結(jié)束語

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件開發(fā)越來越重要，模塊化板卡越來越常見，這種用于插槽機(jī)箱的背板接口的地址映射而進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信應(yīng)用廣泛，本文中提出的這種利于插槽擴(kuò)展的硬件地址取址方法和裝置在硬件開發(fā)中節(jié)約成本且減少開發(fā)周期，將CPU的IO口資源占用及插槽擴(kuò)展等問題進(jìn)行了有效的解決。