一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备[实用新型专利]

(19)国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202220165091.4
(22)申请日 2022.01.20
(73)专利权人 深圳市瑞驰信息技术有限公司
地址 518000 广东省深圳市前海深港合作
区前湾一路1号A栋201(入驻深圳市前
海商务秘书有限公司)
(72)发明人 吴国　康万龙　晏阳新　周承锋　
黄毅飞　周志虎　蔡忠定　王伟　
(74)专利代理机构 深圳市中融创智专利代理事
务所(普通合伙) 44589
专利代理师 李朦　叶垚平
(51)Int.Cl.
G06F 13/42(2006.01)
(54)实用新型名称
一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备
(57)摘要
本实用新型提供一种基于FPGA实现I I C多
路切换的总线设备，包括前级FPGA器件上的多个
I I C通道连接多个底板上的后级FPGA器件，后
级FPGA器件的多个I I C通道连接多个移动终端
从设备，形成两级的FPGA线路，使得该总线设备
代替了传统的I I C切换器和集线器，能够解决I
I C信号出现异常不能自行恢复的问题，一旦后
端链路异常也不会对其他路I I C信号产生影
响，具有隔离异常设备的作用，若主机端出现异
常造成I I C时序未完成，导致信号异常时，FPGA
可以检测到这种状态并进行超时释放总线，大大
提高I I
C通讯的可靠性。

权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 216772412 U 2022.06.17
C N 216772412
U
1.一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备，其特征在于：包括主控主机、背板及多个底板，所述主控主机与所述背板连接，所述背板上设有前级FPGA器件，所述前级FPGA器件
设有多个第一IIC通道，
一个所述第一IIC通道与一个所述底板连接；所述底板上设有后级FPGA器件，所述后级FPGA器件设有多个第二IIC通道，每个所述第二IIC通道连接一个终端从设备。

2.如权利要求1中所述基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备，其特征在于：所述前级FPGA器件和所述后级FPGA器件的型号为GW1N ‑LV4QN48C6/I5。

3.如权利要求1中所述基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备，其特征在于：所述前级FPGA器件和所述后级FPGA器件的型号不同。

4.如权利要求1中所述基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备，其特征在于：所述主控主机与所述背板通过信号线实现IIC信号传输。

权　利　要　求　书1/1页CN 216772412 U
一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备
技术领域
[0001]本实用新型涉及总线线路切换管理设备领域，特别涉及一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备。

背景技术
[0002]在进行产品设计时，IIC总线是我们经常用到的可靠总线，随着产品复杂度的提升，有时我们需要支持更多的IIC设备，且这些设备都需要挂载在一路IIC总线下，例如现有的刀片式服务器，这些设备都通过一路IIC信号进行分时复用，这就需要管理控制板(主机端)与这些链路端设备(从机端)有多个IIC链路路进行通讯，且IIC链路还存在级联使用场景。

[0003]现有的IIC多路切换实现方式主要通过IIC切换器件或者集线器来实现，这两种器件都无安全保护机制，一旦出现问题直接影响整个链路的可靠性，且此类器件多级串并连使用时，出现问题需要分析整个链路的器件，不利于后期维护。

[0004]例如，如图1所示，目前最通用设计方案是使用IIC切换器或集线器，其使用多级切换器或集线器组合串并联的方式来实现主从端的IIC通讯。

整个链路使用此类集成器件来实现IIC信号切换，由于此类器件的设计没有异常自动恢复的功能，一旦出现异常很容易影响到前后级的器件通讯，甚至出现IIC死锁现象，只能借助外部复位信号来实现链路恢复。

在异常恢复和通道安全的方面无法做到完善，稳定性不足。

实用新型内容
[0005]为了克服目前现有的总线管理设备中链路稳定性不足的问题，本实用新型提供一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备。

[0006]本实用新型为解决上述技术问题，提供一技术方案如下：一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备，包括主控主机、背板及多个底板，所述主控主机与所述背板连接，所述背板上设有前级FPGA器件，所述前级FPGA器件设有多个第一IIC通道，一个所述第一IIC通道与一个所述底板连接；所述底板上设有后级FPGA器件，所述后级FPGA器件设有多个第二IIC通道，每个所述第二IIC通道连接一个终端从设备。

[0007]优选地，所述前级FPGA器件和所述后级FPGA器件的型号为GW1N‑LV4QN48C6/I5。

[0008]优选地，所述前级FPGA器件和所述后级FPGA器件的型号不同。

[0009]优选地，所述主控主机与所述背板通过信号线实现IIC信号传输。

[0010]与现有技术相比，本实用新型提供的一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备，具有以下优点：
[0011]1、本实用新型通过前级FPGA器件上的多个IIC通道(输出)连接多个底板上的后级FPGA器件，后级FPGA器件的多个IIC通道(输出)连接多个移动终端从设备，以形成两级的FPGA线路，使得该总线设备代替了传统的IIC切换器和集线器，FPGA由于其管脚的特殊性，每个管脚都可以进行单独使能控制，且管脚支持多种电平标准，使用方便，易于控制。

具体
来说，使用FPGA的管脚来模拟IIC信号能够解决IIC信号出现异常不能自行恢复的问题，一旦后端链路异常也不会对其他路IIC信号产生影响，具有隔离异常设备的作用，且若主机端出现异常造成IIC时序未完成，导致信号异常时，FPGA可以检测到这种状态并进行超时释放总线，大大提高IIC通讯的可靠性。

[0012]2、采用FPGA器件，其基于FPGA的管脚数量众多，相比切换器和集线器的通道数来讲可以满足更多路IIC链路，不需要更多的集成器件来实现，大大降低了设计复杂性。

[0013]3、由于FPGA管脚口电源域可以多种选择，能够满足后端不同电平类型的IIC设备，不需要增加额外的电平转换器件，适用于更多类型的设备。

附图说明
[0014]图1为现有技术中通过切换器和集线器连接的总线设备的连接示意图。

[0015]图2为本实用新型第一实施例提供的一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备的连接示意图。

具体实施方式
[0016]为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型进行进一步详细说明。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

[0017]请参阅图2，本实用新型第一实施例提供一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备，包括主控主机、背板及多个底板，所述主控主机与所述背板连接，所述背板上设有前级FPGA器件，所述前级FPGA器件设有多个第一IIC通道，一个所述第一IIC通道与一个所述底板连接。

所述底板上设有后级FPGA器件，所述后级FPGA器件设有多个第二IIC通道，每个所述第二IIC通道连接一个终端从设备。

[0018]可以理解，所述主控主机位于管理控制器板上，所述前级FPGA器件位于背板上，主控主机通过信号线与背板连接，以传递IIC信号。

所述后级FPGA器件设置在底板上，且后级FPGA器件与底板一一对应，前级FPGA器件的一个IIC通道与一个后级FPGA器件连接作为输入，而后级FPGA器件的每个IIC通道作为输出连接至终端从设备上。

[0019]可以理解，前级FPGA器件上的多个IIC通道(输出)连接多个底板上的后级FPGA器件，后级FPGA器件的多个IIC通道(输出)连接多个移动终端从设备，以形成两级的FPGA线路。

[0020]可以理解，在本实施例中，所述前级FPGA器件和所述后级FPGA器件均采用型号为GW1N‑LV4QN48C6/I5的FPGA芯片，前级FPGA器件有12路IIC通道输出，后级FPGA器件有5路IIC通道输出。

特别地，在一些其他的实施例中，所述前级FPGA器件和所述后级FPGA器件也可以采用不同型号的FPGA芯片，例如采用型号为GW1N‑LV9QN48C6/I5的FPGA芯片，或采用引脚数量更多的型号为GW1N‑LV4QN88C6/I5的FPGA芯片，或采用引脚数量更少的型号为GW1N‑LV4QN32C6/I5的FPGA芯片，也即引脚决定输出和输入的通道数量，用户可以根据需求来选择不同型号的FPGA芯片。

或在一些其他实施例中，用户也可以选择前级FPGA器件和所述后级FPGA器件的型号不同，例如，前级FPGA器件选择型号为GW1N‑LV4QN48C6/I5的FPGA芯片，后级FPGA器件选择型号为GW1N‑LV9QN48C6/I5的FPGA芯片，用户可以灵活选择前级FPGA器
件和所述后级FPGA器件的型号，只要可以形成上述两级的FPGA线路实现信号传输即可，在此不再赘述。

[0021]请继续参阅图2，在本实施例中，以前级FPGA器件和后级FPGA器件均采用型号为GW1N‑LV4QN48C6/I5的FPGA芯片来进行功能的示例说明：
[0022]主控端(主控主机)出一组IIC总线，设备1‑60为从设备，IIC链路分布在背板及12路底板节点上，背板和底板上各有一级FPGA实现IIC链路切换。

前级FPGA器件实现12路IIC 切换，与后端底板节点相连，后级FPGA器件实现5路IIC切换，与终端从设备相连。

主控通过两级FPGA将IIC信号切换到终端某一从设备上，实现IIC通讯。

[0023]使用时，如设备1出现异常，后级FPGA器件检测到信号异常之后，将对应链路的管脚不使能，通道链路切换被终止，设备1将被隔离；若底板业务节点出现异常，前级FPGA器件一样会隔离整个底板业务节点，不影响其他设备的通讯，保证了整个链路的可靠性。

若主控主机异常导致IIC通讯时序未完成，最常见的IIC数据线一直被拉低，两级FPGA器件会检测到IIC信号一直被占用，等待之后会超时释放管脚,不会导致整个IIC总线处于等待状态，且主控主机正常之后能够继续通讯，保证通讯的安全可靠。

在本案例中每一层的切换只需要选择一路FPGA器件即可满足所有通道的切换，实际场景的使用可根据IIC链路的数量来选择合适引脚数量的FPGA芯片型号即可，FPGA芯片可以实现多路级联，满足更为复杂的使用场景。

[0024]与现有技术相比，本实用新型提供的一种基于FPGA实现IIC多路切换的总线设备，具有以下优点：
[0025]1、本实用新型通过前级FPGA器件上的多个IIC通道(输出)连接多个底板上的后级FPGA器件，后级FPGA器件的多个IIC通道(输出)连接多个移动终端从设备，以形成两级的FPGA线路，使得该总线设备代替了传统的IIC切换器和集线器，FPGA由于其管脚的特殊性，每个管脚都可以进行单独使能控制，且管脚支持多种电平标准，使用方便，易于控制。

具体来说，使用FPGA的管脚来模拟IIC信号能够解决IIC信号出现异常不能自行恢复的问题，一旦后端链路异常也不会对其他路IIC信号产生影响，具有隔离异常设备的作用，且若主机端出现异常造成IIC时序未完成，导致信号异常时，FPGA可以检测到这种状态并进行超时释放总线，大大提高IIC通讯的可靠性。

[0026]2、采用FPGA器件，其基于FPGA的管脚数量众多，相比切换器和集线器的通道数来讲可以满足更多路IIC链路，不需要更多的集成器件来实现，大大降低了设计复杂性。

[0027]3、由于FPGA管脚口电源域可以多种选择，能够满足后端不同电平类型的IIC设备，不需要增加额外的电平转换器件，适用于更多类型的设备。

[0028]以上仅为本实用新型较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本实用新型的保护范围之内。

图1
图2。