Глава 3. Проектирование принципиальной схемы платы кросс - коммутатора

1. Описание принципиальной схемы.

Перечислим все элементы платы кросс - коммутатора, включая обозначения, особенности включения и, кратко, назначение.

Микросхемы D1 и D2 – это интерфейсы Е1 PM4314 фирмы PMC - Sierra. Основные выводы данных микросхем - это выводы RXTIP[1..4], RXRING[1..4], TXTIP[1..4], TXRING[1..4]. К этим выводам подключены входные и выходные потоки Е1 через узлы гальванической развязки, состоящие из трансформаторов T1 – T6 PE – 64952 фирмы Pulse Engineering, керамических конденсаторов С1 – С9 и С26 – С34, резисторов R7 – R18 и R35 – R46, включенных по схеме, предложенной в документации на линейные интерфейсы Е1, а также диодных сборок VD1 – VD24, необходимых для защиты от возможных скачков напряжения в линии связи. С выходов RDD[1..6] данные в NRZ коде отправляются на обработку, а с выходов RCLKO[1..6] поступает тактовая частота, выделенная из каждого потока Е1. На выводы же TDD[1..6] и TCLKI[1..6] приходят уже обработанные данные. На вывод XCLK поступает сигнал с генератора прямоугольных импульсов частотой 49.152 МГц. Выводы, обозначенные как A[0..8], D[0..7], /RSTB,/ALE, /WRB, /RDB, /INPB, /CS2, /CS3 входят в состав микропроцессорного порта. На A[0..8] – выставляется адрес, по которому ведущее устройство производит считывание данных D[0..7]. Вывод ALE необходим для защелки адреса при режиме совмещения шин адреса и данных. Так как в нашем случае сигнал ALE не используется, то на его выход подается питание +5В, при учете того, что вывод имеет встроенный в микросхему резистор. Режим прерывания интерфейса использоваться не будет, поэтому на вывод /INPB подается питание +5В через резистор номиналом в 1КОм. Сигналы подающиеся на выводы /CS2, /CS3 необходимы для выбора одной из данных микросхем интерфейсов Е1. То есть при подаче на вывод /CS2 сигнала логического нуля, произойдет активизация микропроцессорного порта данного устройства, после чего можно будет считывать данные по сигналу /RDB, либо записывать по сигналу /WRB. Выводы DCR, RDUAL, TDUAL необходимы для аппаратной установки некоторых режимов работы интерфейсов Е1. В нашем случае они не задействованы, так же как и тестовые сигналы TMS, TCK, TDO, TRSTB, поэтому соединены с землей. Линейные интерфейсы Е1 имеют большой набор питающих выводов, причем одни выводы отвечают за питание передающей аналоговой части, другие - за приемную аналоговую часть, третьи – за питание чисто цифровой части интерфейса. Одни из этих выводов питания соединяются напрямую с источником напряжения, другие через схему подключения, рекомендованную разработчиками данного интерфейса (смотри чертеж ПГТУ.123456.004.Э3). Номиналы резисторов и конденсаторов, использующихся в схеме включения линейного интерфейса PM4314, указаны в перечне элементов (смотри приложение).

Микросхемы D3, D6,D7 – это преобразователи уровней SN74CBTD3384 фирмы Texas Instruments. Сюда поступают сигналы для преобразования логических уровней TTL в LVTTL, с целью совмещения устройств, оперирующих как с TTL, так и с LVTTL уровнями. Как видно из чертежа ПГТУ.123456.004.Э3, сигналы, поступающие на выводы данных микросхем, не объединены по какому- либо принципу. Такое расположение возникло после первых попыток трассировки проводников соединяющих данные микросхемы с другими. Каждая микросхема функционально разделена на две секции. Входы и выходы каждой секции могут быть установлены в третье состояние путем подачи на выводы микросхем /1OE и /2OE напряжения логической единицы. Так как в нашем случае нет момента времени когда необходимо отключать секции от шин, то они закорочены на землю. Микросхемы питаются напряжением +5В.

Микросхема D4 – это DSP процессор TMS320VC5421 фирмы Texas Instruments. На принципиальной схеме она изображена в виде четырех частей.

Первая часть микросхемы D4 включает в себя выводы адресной шины PPA[0..18], на которую DSP выставляет адрес, по которому он бы хотел считать информацию, например, из памяти. Режима, в котором DSP процессору выставлялся бы адрес, в данном устройстве не предусмотрено. В эту же часть входят выводы шины данныхPPD[0..16], но так как кромеDSPпроцессора никто не использует старшие разряды 16 битового слова, то выводыPPD[8..16] ни к чему не подсоединены. Также в эту часть входят выводы универсальных входов/выходовDSPпроцессора, а именноA_GPIO[0..2],B_GPIO[0..2],A_XF,B_XF. Они соединяются с соответствующими выводами ПЛИСEPM7128SVLC. Здесь же расположены выводы сигналов, отвечающих за правильный обмен даннымиDSPпроцессора с внешними устройствами. Это сигналы /PS, /DS, /IS, /MSTRB, /IOSTRB, /R//W,READY, которые соединяются, кромеREADY, с соответствующими выводами ПЛИС, которая, в свою очередь, преобразует интерфейс обмена по внутренней шине изMotorolaвIntel. Сигналы /HPIRS,HMODE, /HOLD, /HOLDA, используемые при работе с хостами, не применяются в плате кросс – коммутатора.

Вторая часть микросхемы D4 выделена под 6 многоканальных буферизированных последовательных портов. На выводы A_BDR[0..2], B_BDR[0..2] поступают сигналы данных от линейных интерфейсов Е1 (логические уровни уже LVTTL), а на выводы A_BCLKR[0..2], B_BCLKR[0..2] поступают сигналы тактовой частоты от тех же интерфейсов Е1. Выводы МКБСП A_BFSR[0..2], B_BFSR[0..2], A_BFSX[0..2], B_BFSX[0..2] предназначены для приема и передачи цикловой синхронизации. В нашем устройстве применяются только выводы A_BFSR[0..2], B_BFSR[0..2] и то только в целях отладки программного обеспечения платы кросс – коммутатора. С выводов A_BDX[0..2], B_BDX[0..2], BCLKX[0..2], B_BCLKX[0..2] обработанные данные, а также их тактовая частота, отправляются на интерфейсы Е1, с целью передачи данных в канал связи. Уровни передаваемых на интерфейсы данных - LVTTL, но их достаточно для срабатывания TTL логики (смотри рис. 2.2.).

Третья часть микросхемы D4 представляет собой сочетание выводов, предназначенных для подключения генераторного оборудования, подключения сигналов сброса, прерываний, а также тестовых сигналов. Итак, к выводу CLKIN подключается генератор тактовых импульсов HO – 25C. С ножек A_CLKOUT, B_CLKOUT на ПЛИС выводятся тактовые импульсы, согласно которым ведется весь обмен данными DSP процессора с интерфейсами Е1, памятью и самой ПЛИС. Из всех существующих у процессора выводов под аппаратные прерывания мы будем использовать только /A_INT0. При возникновении на нем напряжения низкого логического уровня возникнет аппаратное прерывание первого из двух ядер DSP процессора. Подачей напряжения на вывод XIO можно управлять выбором интерфейса обмена по внешней шине данных. То есть при логической единице на этом входе произойдет выбор так называемого EMIF (external memory interface)интерфейса, а при логическом нуле – HPI (host – port interface) интерфейс. Подавая на выводы /A_RS и /B_RS логические нули, можно добиться сброса DSP процессора. Выводы TRST, TDO, TDI, TCK, TMS, EMU0, EMU1 являются тестовыми и соединяются с разъемом X4. На выводы EMU0, EMU1 согласно технической документации на DSP процессор подается напряжение 3.3В через резисторы номиналом в 47КОм.

Четвертая часть микросхемы D4 показывает выводы питания микросхемы. Питание микропроцессора двойное. Ядра питаются напряжением +1.8В, все остальное +3.3В.

Микросхема D5 - это программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) EPM7128SVLC фирмы Altera. Она имеет 51 вывод, которые используются в устройстве платы кросс – коммутатора. Часть из них является входами, часть выходами, часть выводов может быть использована как входы и выходы одновременно. Остановим свое внимание на следующем моменте. Выводы с метками GR1-GR6 и YL1-YL6 необходимы для управления соответствующими светодиодами, находящимися на разъеме X1 AMP406554-1, а также светодиодом HL4. С учетом того, что выходы ПЛИС 3-х вольтовые и зная, что падение напряжения на выбранных светодиодах 2В, а потребляемый ток 10мА, получим что, ограничивающие сопротивления R1-R6 и R29-R34, R56 перед светодиодами, должны быть номиналами в 130 Ом. (3.1)

Перед светодиодом HL2 также необходимо поставить резистор R54 на 130 Ом. Светодиоду HL3 потребуется сопротивление R55 номиналом в 20 Ом, с учетом того, что падение напряжения на HL3 1.6В, HL2 – резистор R53 на 300 Ом, а HL1 резистор R47 на 5.6 КОм. Все это считается по вышеуказанной формуле.

Выводы TMSP, TDIP, TDOP, TCKP, подключаемые к разъему X3, необходимы для помещения проекта в ПЛИС при помощи байт – бластера.

Выводы VCCIN необходимы для подключения питания ядра ПЛИС +5В, , VCCIO – для питания схем входов/выходов напряжением +3.3В. Выводы GND соединяются с ‘землей’ платы.

Микросхема D8 – это буферный усилитель КР1533АП5. Микросхема также имеет две рабочие секции. На одну секцию заведен сигнал передачи данных от сигнального микроконтроллера, на другую сигнал приема данных. Выводы с метками CNTR1,2 управляют данными секциями. При выставлении на эти выводы микроконтроллером напряжения высокого уровня происходит перевод выводов секций в третье состояние. На вывод VCC подается сигнальное питание +5В с кросс –платы универсальной платформы.

Микросхема D9 представляет из себя Flash – память AT29LV256 фирмы Atmel. На выводы A[0..14] внешние устройства выставляют адреса, по которым они записывают или считывают данные в/из памяти. Данные выводы являются входами устройства. На выводы IO[0..7] выставляются данные. Эти выводы являются и входами и выходами. При подаче напряжения низкого уровня на выводы /CS, /WE, /OE, соответственно, происходит выбор кристалла, разрешение записи, разрешение чтения данных из памяти. Питание подается на выводы VCC и GND. Питание на микросхему подается номиналом в +3.3В от линейного регулятора напряжения D10.

Микросхема D10 - микроконтроллер AT89C5124JC фирмы Atmel, выполняющий сигнальные функции. На нулевой порт P0.0..P0.7 подаются сигналы, которые формирует ПЛИС, а именно, MEAN, MEAN6, LCV3, LCV5, LOS, LOSS, ASS. Вывод порта P2.0 подключен через резистор R58 номиналом в 1 КОм к питанию +5В, для того чтобы вести контроль наличия вторичного питания платы. На выводы портов P1.0..P1.3 заведены сигналы с кросс – платы, которые однозначно определяют положение платы кросс - коммутатора в блоке универсальной платформы. К портам P1.6 и P1.7 подключены сигналы, управляющие секциями буферного усилителя КР1533АП5. Как уже говорилось выше, при высоком уровне напряжение на CNTR1, CNTR2 происходит перевод выводов каждой из секций буферного усилителя в третье состояние. Порты P3.0 и P3.1, кроме того, что выполняют функции обычных входов/выходов, предназначены для организации последовательного интерфейса. ПортP3.0 (RxD) осуществляет прием, аP3.1(TxD) передачу последовательных данных. На выводRST(RESET), через соответствующую схему включения, подается сигнал первоначального сброса микроконтроллера. В данную схему входят конденсатор С73 емкостью 10 мкФ и резисторR57 номиналом в 8.2КОм. При подаче напряжения ток начинает течь по цепи: +5В, С73,R57,GND. На резисторе возникает падение напряжение, которое подается на выводRST. В момент когда конденсаторC73 зарядится, ток перестанет течь через резистор. Тогда напряжение с выводаRSTпропадет и микроконтроллер может начинать выполнение заложенного в него алгоритма. Необходимым условием работы микроконтроллера является подача на него сигналов тактовой частоты. В данном случае была применена стандартная схема подключения кварцевого резонатора. К выводамXTAL1 иXTAL2 подключенB1 – кварцевый резонаторHC-49/UфирмыCristalWorldна частоту 22.1184 МГц. К концам резонатора подключены конденсаторыC74,C75 емкостью 33 пкФ как показано на схеме. Питание микроконтроллера +5В. Подается оно с кросс – платы блока универсальной платформы.

Микросхемы DA2 и DA3 - это линейные регуляторы напряжения фирмы National Semiconductor LM1117-1.8 и LM1117-3.3. На вход IN подается напряжение +5В через конденсатор емкостью в 10 мкФ, на выводе OUT снимается напряжение. Для микросхемы DA2 это напряжение +1.8В, для микросхемы DA3 +3.3В. Конденсаторы на входе и выходе выполняют роль фильтров.

Микросхемы DA4 – преобразователь уровней MAX3223CAP фирмы MAXIM. С разъема X5 поступают последовательные данные на вывод R1IN. Вывод R1OUT соединяется с соответствующим выводом преобразователя уровней D6. На вывод T1IN поступает сигнал от ПЛИС. Это сигнал передачи последовательных данных. С вывода T1OUT преобразованные данные поступают на разъем X4. Для нормальной работы микросхемы предусмотрена схема включения, состоящая из конденсаторов С90..С94. Данная схема рекомендована изготовителем. Номиналы конденсаторов указаны в перечне элементов.

Кроме вышеуказанных микросхем в схеме устройства используются еще две. Это генераторы прямоугольных импульсов G1 иG2, соответственно, SG - 8002DC фирмы Epson и HO - 25C фирмы HOSONIC. С выводов OUT снимается необходимая тактовая частота, которая поступает на входы соответствующих устройств.

Плата содержит четыре разъема X1, X2, X3,X4, X5.

X1 – это разъем AMP406554-1 фирмы AMP для подключения 6 потоков Е1. Этот разъем 72-х контактный. Для работы устройства используется 24 контакта. Контакты A2, A4…F2, F4 используются для приема данных из линии связи и соединяются с соответствующими выводами трансформаторов Т1..Т6. Контакты A6, A8..F6, F8 используются для передачи данных в линию связи и также соединяются с выводами трансформаторов Т1..Т6. Данный разъем имеет встроенные светодиоды. На контакты AG+, AY+…FG+, FY+ через резисторы номиналом в 130 Ом подаются сигналы, управляющие свечением этих светодиодов. Контакты AG-, AY-…FG-, FY- закорочены на землю.

X2 – это 64-х контактный разъем AMP-64 фирмы AMP. Данный разъем используется для подключения платы кросс – коммутатора к кросс – плате блока универсальной платформы. С контактов A1, C1 снимается напряжение +60В, с контактов A32, C32 снимается напряжение –60В. С контактов A2, A3, C2, C3 снимаются сигналы положения платы в блоке. На контактах A8, C8 выставляется сигнальное напряжение +5В . Контакты A9, C9 необходимы для передачи, а контакты A9, C9 для приема последовательных данных. Контакты A7, A19, A27, С7, C19, C27 предназначены для соединения с ‘землей’ блока.

X3 – это 10-и контактный разъемPLD10/80 фирмы «Бурый медведь», необходимый для подключения к нему байт – бластера, с целью занесения проекта в ПЛИС. Выводы данного разъема соединяются с выводами ПЛИС в соответствии с технической документацией на ПЛИСEPM7128SVLC. Здесь стоит отметить, что контактыTDOP,TDIP,TCKP,TMSPподключены к источнику питания +5В через резисторы номиналом в 1 КОм.

X4 – это 14-и контактный разъем PLD14/80 фирмы «Бурый медведь» для подключения пода стандарта JTAG, с целью отладки программного обеспечения, необходимого для работы DSP процессора. Выводы данного разъема соединяются с выводами DSPпроцессора в соответствии с технической документацией наDSPпроцессорTMS320VC5421.

X5 – это 9-и контактный разъемDB-9Mфирмы «Бурый медведь» для подключения платы кросс – коммутатора к последовательному порту компьютера с целью организации интерфейсаRS-232C. В нашем случае используется первый и третий контакты данного разъема. Первый соединен с выводомT1OUTмикросхемыDA4, третий соединен с выводомR1INтой же микросхемы.

Кроме этого, в схеме используются конденсаторы, предназначенные для подключения к питанию, с целью фильтрации высокочастотной составляющей помехи. Это конденсаторы С35..С46, С47..С51, С54..С58, подключаемые к пяти вольтовым выводам питания микросхем, конденсаторы С59-С72, подключаемые к трех вольтовому питанию и конденсаторы С76-С80, С82-С85, подключаемые к питанию +1.8В. Емкость конденсаторов составляет 0.1 мкФ.