专利名称：可实现带电插拔的子母电路板及其带电插拔实现方法
技术领域：
本发明涉及在电子产品中电路板之间的电气连接，更具体地说，涉及可实现带电插拔的子母电路板及其带电插拔实现方法。
目前比较成熟的电路板带电插拔特性设计如
图1所示，其中，子板5(也称子卡)与母板4(也称母卡、主卡或主板)在结构上是相互垂直的。母板4一般采用无源设计且在结构上是固定的；子板5则是可以活动的，通过连接器6装在母板上。在母板与子板之间的信号互连方面，母板一般采用直公(Straight Male)连接器，而子板则一般采用弯母(Right AngleFemale)连接器。
为了实现子板的带电插拔特性，在带电插入或拔出过程中，子板与母板之间的信号接口(即由接插件组成的连接器)必须满足如下基本要求(1)、当子板带电插入时地连接首先接触，电源连接其次接触，其它信号连接最后接触；(2)、当子板带电拔出时与上述顺序相反，其它信号连接首先脱离，电源连接其次脱离，地连接最后脱离。
目前应用最广泛的方法是选用合适的信号连接器，通过连接器的各个插针的物理长度的长短区别来实现不同种类信号的接触和脱离顺序。例如将地连接的插针设计得最长，电源连接的插针次之，其它信号的插针设计得最短，则在插入和拔出的过程中可满足上述两条要求。但这样需要使用经过特殊设计的连接器，不能选用普通的连接器，导致的直接后果就是增加了产品的成本。
另一方面，随着模块化设计思想在电信设备中的应用越来越广泛，类似于图2所示的平面拼接电路板结构在电子产品中的使用越来越多。在这种结构中，母板7和子板8处于同一个平面上，并通过弯公(Right AngleMale)和弯母(Right Angle Famale)连接器9实现信号互连。在产品的实际应用过程中，也要求子板能够在母板上实现带电插拔。如果仍然采用上述方法来解决这个问题，就需要在设计上满足带电插拔要求的弯公、弯母连接器，但是目前设计成熟可供选用的弯公连接器的种类很少，而能够满足子板带电插拔要求的弯公连接器的种类更少，而且这些连接器价格昂贵，采用这些连接器的电路板由于成本高，基本上没有竞争力。
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种可实现带电插拔的子母电路板及其带电插拔实现方法，通过改进母板和子板的电路设计，采用普通连接器即可在垂直拼接及水平拼接的母板与子板之间实现带电插拔，不需要使用针对不同的母板与子板之间的连接而经过特殊设计的连接器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是将子板与母板之间的电气连接分为地连接、电源连接及信号连接，并通过开关对电源连接及信号连接进行控制，其中，在所述母板上分别设有可在母板侧断开/闭合所述电源连接和信号连接的电源开关单元和信号开关单元，还设有分别经上拉电阻接电源的第一、第二母板侧输入线；所述子板上设有可通过所述连接器与所述第一、第二母板侧输入线对应连接的第一、第二子板侧输出线；所述第一子板侧输出线直接接地，所述第二子板侧输出线通过一个常开触发开关接地；所述母板上还设有一个控制单元，所述第一、第二母板侧输入线连接到所述控制单元的输入端，分别用于输入‘子板插入信号’和‘子板拔出请求信号’，所述控制单元的输出端分别连接到所述电源开关单元和信号开关单元，分别用于控制所述两个开关单元的断开/闭合。
在本发明中，所述母板的控制单元还设有子板工作状态输出线，所述子板上设有可通过所述连接器与所述子板工作状态输出线对应连接的子板工作状态输入线，所述子板工作状态输入线连接在一个正端接电源的发光二极管的负端。
本发明中，所述控制单元按以下步骤处理带电插拔流程A、所述控制单元检测由所述第一母线侧输入线所输入的‘子板插入信号’是否有变化，如果是则执行步骤B，否则执行步骤E；
B、所述控制单元再判断所述‘子板插入信号’是不是下降沿变化，如果是则执行步骤C，否则回到步骤A；C、所述控制单元向所述电源开关单元输出使电源开关单元闭合的控制信号，使所述电源开关单元内的开关电路闭合，从而使所述母板与子板之间的电源连接导通；D、间隔一段预定时间之后，所述控制单元再向所述信号开关单元输出使信号开关单元闭合的控制信号，使所述信号开关单元闭合，从而使所述母板与子板之间的信号连接导通，然后回到步骤A；E；所述控制单元检测是否有‘子板拔出请求信号’由所述第二母线侧输入线输入，如果是则执行步骤F，否则回到步骤A；F、所述控制单元向所述信号开关单元输出使信号开关单元断开的控制信号，使所述信号开关单元断开，从而断开所述母板与子板之间的信号连接；G、间隔一段预定时间之后，所述控制单元再向所述电源开关单元输出使电源开关单元断开的控制信号，使所述电源开关单元断开，从而断开所述母板与子板之间的电源连接，然后回到步骤A。
根据本发明所述的方法，在完成所述步骤D之后，所述控制单元还输出低电平的‘子板工作状态指示信号’，通过所述子板工作状态输出线、连接器和子板工作状态输入线，使所述子板上的发光二极光发亮；在完成所述步骤G之后，所述控制单元还输出高电平的‘子板工作状态指示信号’，使所述发光二极光熄灭。
本发明克服了传统电路板在带电插拔方面的局限性，通过改进母板和子板的电路设计，并配合相应的控制软件，采用普通连接器即可在水平拼接的母板与子板之间实现带电插拔。由开关电路和软件智能控制地连接、电源连接和信号连接的导通和断开顺序，不需要针对每一种不同的母板与子板之间的连接单独设计一种插针长短不一的连接器，操作简单可靠，并可有效降低产品成本。本发明也可在垂直拼接的母板与子板系统中应用。
从图3中可以看出，在母板1上设有控制单元11、电源开关单元12和信号开关单元13，其中，控制单元11是实现本发明的核心，它可根据输入的‘子板插入信号’和‘子板拔出请求信号’，由其电源控制输出线111和信号控制输出线112输出用于控制电源开关单元和信号开关单元的控制信号，并由其子板工作状态输出线115输出‘子板工作状态指示信号’。电源开关单元12可在母板侧断开或闭合上述的电源连接，信号开关单元13可在母板侧断开或闭合上述的信号连接。假设一对母板需向子板提供两种电源电压，则可在电源开关单元12中采用两个电子开关来控制其断开或闭合；假设一对母板需向子板提供三种信号，则可在信号开关单元13中采用三个电子开关来控制其断开或闭合；这里的电子开关可采用现有技术的开关电路来实现，并由控制单元11向开关电路的控制极输出控制信号，当开关电路断开时，其对外输出表现为三态中的高阻态。
在母板1上还设有经上拉电阻14接电源的第一母板侧输入线114及经上拉电阻15接电源的第二母板侧输入线113。相应地，在子板2上设有直接接地的第一子板侧输出线214及通过一个触发开关21接地的第二子板侧输出线213；子板侧输出线与母板侧输入线之间通过连接器3导通连接，分别用于将‘子板插入信号’和‘子板拔出请求信号’输入到控制单元11。
从图3中可以看出，在母板的控制单元还连接有子板工作状态输出线115，在子板上设有一个正端接电源的LED(发光二极管)22，子板工作状态输出线115通过连接器3和子板工作状态输入线215与LED的负端导通连接。
从图3中可以看出，本发明中的‘子板插入信号’属于电平指示信号，当子板与母板断开连接关系时，输入控制单元的信号为高电平；当子板与母板连接在一起时，输入控制单元的信号为低电平。因此，‘子板工作状态指示信号’的电平状态可精确地表示子板的“板在位”状态，高电平表示子板不在位(与母板脱离)；低电平则表示子板在位(与母板连通)。同时‘子板插入信号’的变化趋势也体现了特定的操作方式，在下降沿时表示刚刚有子板插入；在上升沿时表示刚刚有子板拔出，此信号需要在母板侧进行去抖动处理。
从图3中可以看出，本发明中的‘子板拔出请求信号’属于脉冲型信号，每压下一次触发开关21，就发出一个脉冲信号。当子板与母板为断开状态时，输入控制单元的信号保持为恒定的高电平；当子板与母板连接在一起时，由于在缺省状态下触发开关22是断开的，所以输入控制单元的信号也是高电平，如果用户压下触发开关21，则向控制单元输入一个低电平脉冲，即‘子板拔出请求信号’。之后触发开关自动恢复到断开状态，输入控制单元的信号又变为高电平。
本发明中，母板的控制单元11还向子板的LED22输出‘子板工作状态指示信号’。当子板插在母板上并且正常工作时，输出的‘工作状态指示信号’为低电平，使LED发光，表示子板处于正常工作状态；当子板插在母板上但未正常工作、或当子板不在母板上时，输出的‘子板工作状态指示信号’为高电平，此时LED不发光，表示子板处于非正常工作状态。
一、子板插入流程1、当用户插入子板时，由于子板与母板之间的地连接没有开关电路相隔，因此地连接首先接触并保持连通，同时，‘子板插入信号’被下拉到‘地’，由高电平变为低电平，此信号的下降沿表示刚刚有一块子板插入。
2、母板的控制单元根据‘子板插入信号’的下降沿识别到有子板插入，便在间隔一段时间之后(例如10毫秒)输出使电源开关单元闭合的控制信号，使所述电源开关单元内的开关电路闭合，从而使所述母板与子板之间的电源连接导通；3，间隔一段时间之后(例如10毫秒)，母板的控制单元再输出使信号开关单元闭合的控制信号，使信号开关单元中的开关电路闭合，从而使子板与母板之间的信号连接实现导通。
4、此时，子板与母板之间的地连接、电源连接和信号连接依次实现导通，最后，控制单元将其输出的‘子板工作状态指示信号’由高电平变为低电平，使LED发亮，表示子板带电插入操作完成，子板开始正常工作。
二、子板拔出流程1、在拔出子板之前，用户可通过观察来判断子板当前所处的工作状态，并根据观察结果确定操作步骤。子板可能有两种工作状态，即正常状态和非正常状态。如果LED灭，则表示子板处于非正常状态，用户可以跳过第2、3、4步，直接进入第5步；如果LED亮，则表示子板处于正常工作状态，需进入下一步。
2用户通过按下子板2上的触发开关21，发出一个脉冲信号，即‘子板拔出请求信号’，输入到母板的控制单元。
3、母板的控制单元接收到有效的‘子板拔出请求信号’，便在间隔一段时间之后(例如10毫秒)输出使信号开关单元断开的控制信号，使所述信号开关单元断开，从而断开所述母板与子板之间的信号连接。
4间隔一段时间之后(例如10毫秒)，控制单元再输出使电源开关单元断开的控制信号，使所述电源开关单元断开，从而断开所述母板与子板之间的电源连接。
5、此时、子板与母板之间的信号连接和电源连接依次被断开，控制单元将其输出的‘子板工作状态指示信号’由低电平变为高电平，LED不再发光，表示子板处于非正常工作状态，且用户可以拔出子板。
6、用户拔出子板，连接器断开，使得子板和母板之间的地连接也被断开，从而完成了子板与母板之间的信号连接、电源连接和地连接的依次断开，子板带电拔出操作完成。
三、控制单元的工作流程本发明中，控制单元可按如图4所示的流程进行智能处理。
步骤401、控制单元检测由第一母线侧输入线114所输入的‘子板插入信号’是否有变化，如果是则执行步骤402，否则执行步骤407；步骤402、再判断‘子板插入信号’是不是下降沿变化，如果是则表示有子板刚被插入，此时执行步骤403，否则执行步骤406；步骤403、间隔一段预定时间之后(例如10毫秒)，控制单元向电源开关单元输出控制信号，使电源开关单元闭合，从而使母板与子板之间的电源连接导通；步骤404、间隔一段预定时间之后(例如10毫秒)，控制单元再向信号开关单元输出控制信号，使信号开关单元闭合，从而使母板与子板之间的信号连接导通；步骤405；控制单元输出低电平的‘子板工作状态指示信号’，通过子板工作状态输出线115和连接器输出到子板上LED的负端，使LED发光，表示子板已插入并处于正常工作状态，然后回到步骤401；步骤406、如果‘子板插入信号’为上升沿变化，则表示刚有子板被拔出，此时电源及信号开关单元保持断开，‘子板工作状态指示信号’保持高电平；步骤407、控制单元检测是否有有效的‘子板拔出请求信号’由第二母线侧输入线113输入，如果是则执行步骤408，否则执行步骤411；步骤408、间隔一段预定时间之后(例如10毫秒)，控制单元向信号开关单元输出控制信号，使信号开关单元断开，从而断开所述母板与子板之间的信号连接；步骤409、间隔一段预定时间之后(例如10毫秒)，控制单元再向电源开关单元输出控制信号，使电源开关单元断开，从而断开所述母板与子板之间的电源连接；步骤410、控制单元输出高电平‘子板工作状态指示信号’，使LED由亮变灭，此时用户可拔出子板。如果用户未拔出子板，电源及信号开关单元将保持断开，‘子板工作状态指示信号’保持高电平；步骤411、表示既未收到‘子板插入信号’也未收到‘子板拔出请求信号’，电源及信号开关单元保持原有状态。
综上所述，本发明通过开关电路设计和软件智能控制的方法实现信号连接、电源连接和地连接的闭合/断开顺序。本发明既可应用于水平拼接的子板和母板系统，也可在垂直拼接的子板和母板系统中应用。
权利要求
1.可实现带电插拔的子母电路板，所述子板通过连接器与母板连接，两者之间的电气连接包括地连接、电源连接及信号连接，其特征在于，在所述母板上分别设有可在母板侧断开/闭合所述电源连接和信号连接的电源开关单元和信号开关单元，还设有分别经上拉电阻接电源的第一、第二母板侧输入线；所述子板上设有可通过所述连接器与所述第一、第二母板侧输入线对应连接的第一、第二子板侧输出线；所述第一子板侧输出线直接接地，所述第二子板侧输出线通过一个常开触发开关接地；所述母板上还设有一个控制单元，所述第一、第二母板侧输入线连接到所述控制单元的输入端，所述控制单元的输出端分别连接到所述电源开关单元和信号开关单元。
2.根据权利要求1所述的可实现带电插拔的子母电路板，其特征在于，所述母板的控制单元还设有子板工作状态输出线；所述子板上设有可通过所述连接器与所述子板工作状态输出线对应连接的子板工作状态输入线，所述子板工作状态输入线连接在一个正端接电源的发光二极管的负端。
3.在权利要求1所述的子母电路板之间实现带电插拔的方法，其特征在于，所述控制单元按以下步骤处理带电插拔流程A、所述控制单元检测由所述第一母线侧输入线所输入的‘子板插入信号’是否有变化，如果是则执行步骤B，否则执行步骤E；B、再判断所述‘子板插入信号’是不是下降沿变化，如果是则执行步骤C，否则回到步骤A；C、所述控制单元向所述电源开关单元输出使电源开关单元闭合的控制信号，使所述电源开关单元内的开关电路闭合，从而使所述母板与子板之间的电源连接导通；D、间隔一段预定时间之后，所述控制单元再向所述信号开关单元输出使信号开关单元闭合的控制信号，使所述信号开关单元闭合，从而使所述母板与子板之间的信号连接导通，然后回到步骤A；E；所述控制单元检测是否有‘子板拔出请求信号’由所述第二母线侧输入线输入，如果是则执行步骤F，否则回到步骤A；F、所述控制单元向所述信号开关单元输出使信号开关单元断开的控制信号，使所述信号开关单元断开，从而断开所述母板与子板之间的信号连接；G、间隔一段预定时间之后，所述控制单元再向所述电源开关单元输出使电源开关单元断开的控制信号，使所述电源开关单元断开，从而断开所述母板与子板之间的电源连接，然后回到步骤A。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在完成所述步骤D之后，所述控制单元还输出低电平的‘子板工作状态指示信号’，通过所述子板工作状态输出线、连接器和子板工作状态输入线，使所述子板上的发光二极光发亮；在完成所述步骤G之后，所述控制单元还输出高电平的‘子板工作状态指示信号’，使所述发光二极光熄灭。
全文摘要
本发明涉及可实现带电插拔的子母电路板及其带电插拔实现方法，其方案是将子板与母板之间的电气连接分为地连接、电源连接及信号连接，其中子板与母板之间的地连接可通过连接器直接导通，而电源连接及信号连接则由相应的开关单元控制其闭合/断开，开关单元又由一个专门的控制单元来控制，该控制单元根据收到的‘子板插入信号’和‘子板拔出请求信号’，控制电源连接和信号连接的导通或断开顺序，从而实现安全的带电插拔操作。本发明中，采用普通连接器即可在水平拼接的母板与子板之间实现带电插拔，操作简单可靠，并可有效降低产品实现成本。本发明也可在垂直拼接的母板与子板系统中应用。
文档编号H04B1/74GK1474514SQ0213003
公开日2004年2月11日 申请日期2002年8月10日 优先权日2002年8月10日
发明者杜安学 申请人:华为技术有限公司