单板硬件设计

1、电源滤波

   1.1、输入侧电源的滤波：

          对于单板的电源输入侧，出于上电特性及热插拔的需要，需要加π型滤波电路，基本电路形式为图1所示。

       其中，C1为输入侧的输入电容，L为输入电感，C2为π型滤波电路的输出侧电容；C1的主要目的是为了限制上电瞬间的电压上升率，并滤除输入侧电路由电源引入的纹波，因此，C1一般是由直流电容及交流电容组成的并联电容组，其中直流电容的主要作用是去除电容中的纹波，而交流电容的主要作用是为了去耦。

     从参数及器件选择上，输入侧一般选取胆电容，去耦电容的值为0.01uf-1uf之间，针式或贴片均可，但从生产工艺的角度，则以选取贴片为佳，推荐的参数为直流电容10uf，交流电容0.1uf。

    电感的作用为抑制电流变化率，电感越大，抑制效果越好，但同时电感太大时的上电特性不好，上电及下电时，电感两端会产生反电势，这样会对后面的负载产生影响，故参数不宜过大，因而推荐的参数为10uH。

    输出侧的电容不仅要完成去耦及滤纹波的作用，而且还须维持滤波后电平不受电感反电势的影响，兼顾考虑板内负载大小及其他去耦电容的数量，推荐参数为直流电容10uf，直流电容0.01-1uf。

    1.2、IC的电容去耦：

      经过π型滤波电路的瞬态电压特性会有较大改善，但由于负载及非线性器件的影响，使得电源纹波不可能完全消除，且分布特性对于电源的特性影响较大，因此，在器件两端应加上去耦电容，以改善板内IC侧的电源特性。器件选择同1.1所述，推荐的参数为直流电容10uf，交流电容推荐0.01-1uf。

2、带电插拔座：

    带电插拔座的特性是先使地线连接，然后电源部分再上电，这样使得热插拔的上电过程有序，避免了电源上电不均衡所带来的冲击。

    而在系统调试中，一些单板的热插拔成为了一种经常且必要的行为，而热插拔所带来的电流及电压冲击是及其巨大的，这时对单板的损伤是由电流及电压变化率过快所造成的，因此，遏制电流电压变化率，减轻负载突变是热插拔的先决条件，但单靠π型滤波电路是不够的，这样需要有热插拔的单板必须加带电插拔座。

3、上下拉电阻：

    3.1、上拉电阻的选取原则：

    A. 提高灌电流的能力：

    单板内部的器件功耗及驱动能力各不相同，这样在器件连接时的灌电流能力不尽相同，连接上会有驱动问题，此时需要加上拉电阻。

    B.电平兼容：

    板内或板间器件选取各不相同，信号电平特性各不相同，出于兼容性考虑，须加上拉电阻仪保证兼容性。

    C.电平稳态的特性：

    个别器件在上电时要求莫些管脚的初始电平固定为高，此时必须加上拉电阻以保证器件能够正常工作。

    D.器件及参数选取：

    对于A，B，一般的上拉电阻选取2K-1M欧姆，视负载情况而定，重负载时电阻应选取靠近下限，轻负载是选取上限，这里的负载以器件功耗指标来确定；对于上述C的情况，则以该种器件的数据特性来决定。器件一般以金属膜的电阻或排阻为准。

    3.2、下拉电阻的选取原则：

A.电平兼容：

    板内或板间器件选取各不相同，信号电平特性各不相同，出于兼容性的考虑，需加下拉电阻以保证兼容性。

B.端接：

    板内或板间的信号频率较高或信号上升沿较陡时，需要加端接电阻下拉到地，一般此时经常性的会再串入一个适当的电容。

C.电平稳定特性：

    个别器件在上电时要求某些管脚的初始电平为低，此时必须加下拉电阻以保证器件能够正常工作。

D.器件及参数选取：

    对于A，下拉电阻一般选取1K-100K欧姆，视负载电平情况而定，CMOS电平的负载，电阻应选取下限，TTL电平时选取上限，这里的电平以负载指标来确定；对于B的情况，一般选取75-150Ω的电阻；对于C的情况，则以该器件的数据特性来决定；器件一般以金属膜的电阻或阻排为准。

4、ID的标准电路

    ID即为单板的板位信号，一般用来作邮箱地址译码选择，ID信号在母板上接VCC或GND，所以在单板上需作处理，典型电路如下：

5、 高速时钟设计

在PCB布线中对高速时钟信号线，应少打过孔，减少线径变化层次，维持线宽一致性，不用T型接头分支，增加时钟线与其他线的间距，减少平行走线，条件允许的情况下，在时钟线两侧加上地线隔离。另外可采用终端匹配技术消除反射。

    （1） 始端电阻

在驱动端，加一个小电阻值串阻，反射将发生在负载端，目的是确保反射波不会从源端再反射回来、串阻的值须满足下列等式：

    Rs--串阻 Z T--线的特性阻抗Rout--源端输出阻抗

  串阻方式对每根时钟线只需一个电阻，几乎没有直流功耗，而且电阻还起着限流的作用，减小地线反冲。但是反射仍然有可能发生，沿线也将存在中间电压，因此，这种方式不适合分布式负载。另外，高的电阻值还会减少时钟波形的幅度和增加上升时间（在驱动端的接口芯片应为74AC16244系列芯片）。

（2）终端并联AC方式

在负载端并联一个RC，电容值的选取一定要非常小心，它的值必须大的能够吸收传输波的能量，但又一定要小的不会损害信号的上升时间，通常用小于50PF的电容。电阻值RL大约等于ZT(几十欧姆左右)。

并接RL方式对时钟线来说很少采用，对信号的上升时间损害较大，但它没有DC功耗，能够消除长线的反射。

总的来说，终端匹配技术，常用来防止电压反射，减小上冲和下冲，防止时钟错误和损害片子。对一个系统来说，可选的终端匹配技术有很多，弹药确保终端远见尽量靠近源端（串阻）或靠近负载端（并接RC），这样可以减少诱导电感，使匹配有效。

6、接口驱动及支持芯片

这里所说的接口主要是指总线（地址总线，数据总线等），从驱动能力和速度上综合考虑，对地址总线，控制总线和时钟信号等统一采用TI的74AC16244；对双向的数据总线采用TI的74AC16245。禁止选用74FCT16244或74FCT16245系列芯片。

7、复位电路

复位电路采用AD公司的复位芯片ADM708，常用电路如下：

/MR为复位信号输入端，低电平有效。它可以直接和手动复位开关相连，也可以接由逻辑电路产生的软复位信号，或二者的组合。

8、 Watchdog电路

根据清除Watchdog方法的不同，常用到两种Watchdog电路。

1）、利用并行口某一位对Watchdog进行清除，电路原理如下：

这种电路的特点是对Watchdog不能进行开关，CTL脚为高电平或低电平超过一定的时间就会引起Watchdog触发，避免了因CPU死机，Watchdog造成被长期清除的现象。

2）、Watchdog占用CPU的地址空间，电路原理如下：

这种电路的特点是对Watchdog可以灵活地进行开关。并且只要Watchdog打开，如果没有定时清Watchdog，就一定会出现Watchdog无法触发的现象。