嵌入式可編程控制器及其I/O模塊

為較合理地解決目前可編程邏輯控制器.html" target="_blank">控制器自身的軟硬件分配，以及與上位機通信協(xié)調工作中存在的問題，結合外掛式和虛擬式的優(yōu)點，本文基于ISA總線技術自行開發(fā)設計了一種插卡嵌入式可編程控制器.html" target="_blank">控制器。從計算機技術概念看，該嵌入式可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計算機，控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設備或工業(yè)生產(chǎn)過程，工作于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。它的CPU采用AT89C52，實質是一種智能化I/O接口卡，與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系就是通過輸入輸出(I/O)模塊實現(xiàn)的。I/O接口模塊包括輸入隔離、輸入選擇器、輸出鎖存器、驅動電路，以及輸入/輸出顯示電路，它的任務是將被控對象或被控生產(chǎn)過程的各種變量進行采集送入CPU處理，同時控制器又通過I/O模塊將運算處理產(chǎn)生的輸出信息送到被控設備或生產(chǎn)現(xiàn)場，驅動各種執(zhí)行機構動作，實現(xiàn)實時控制。

I/O能力即輸入輸出點數(shù)的總數(shù)量決定了可編程控制器的類型，本系統(tǒng)主要針對開關量控制設計，結合實際生產(chǎn)過程中輸入開關量往往大于輸出量的情況，輸入輸出點數(shù)為64：32。

由于生產(chǎn)現(xiàn)場通常暴露于空間，為了保證信號準確無誤的傳送，要求可編程控制器的I/O模塊具有很強的抗干擾能力。所以輸入模塊如圖1所示，由三片可編程并行 I/O接口芯片8255和光電隔離部分組成，輸入信號經(jīng)過光電耦合器TLP521-4隔離后，送入8255的A、B、C口。8255控制字初始化為#9BH，工作在模式0(基本輸入/輸出方式)。

對于開關量輸出模塊，為了適應工業(yè)過程中各種執(zhí)行機構的電平要求和輸出功率的要求，借助于輸出指令將開關量的狀態(tài)置于輸出緩沖鎖存器，再經(jīng)驅動放大后送到現(xiàn)場，控制被控過程的繼電器、接觸器、電磁閥等。通常輸出模塊的解決方法有：一是采用一定功能的數(shù)字邏輯器件加上由分立元件組合成的功率驅動電路來實現(xiàn)，如緩沖鎖存器74LS273和74LS274等，提供相應的邏輯電平(“0”或“1”)，加上由晶體管、二極管和電阻等組成功率驅動電路提供負載所需的功率;另一種方法是用一片集成化的功率驅動芯片來代替第一種方法中由分立元件組成的驅動電路，如74LS274+ULN2803或ULN2003，此種方法在一定程度上簡化了電路的設計，這種芯片僅有商業(yè)級提供，個別芯片只有7個功率驅動門，而有時往往需要8個門。這就需要2片芯片來實現(xiàn)，造成一定冗余。

對于嵌入式可編程控制器，其系統(tǒng)規(guī)模和電路印刷板面積和體積受到微機自身空間條件的限制，同時還得滿足輸入輸出點數(shù)的需要，這就要求在設計中必須盡可能地減小某一模塊的面積及體積，以適應系統(tǒng)要求。

表1 TPIC6B273DN功能表

圖1 隔離方式開關量輸入模塊示意圖

圖2 TPIC6B273邏輯示意圖

圖3 輸出模塊部分電路

圖4 TPIC6B273工作電壓波形

功率邏輯器件TPIC6B273

德州儀器(TI)公司新近推出的功率邏輯器件有三種類型8種型號，分別是8位移位寄存器 (TPIC6595/6A595/6B595)、8位尋址鎖存器(TPIC6259/6A259/6B259)和8位D型鎖存器(TPIC6273 /6B273)。此類芯片允許的工作溫度范圍為-40℃~+125℃，幾乎滿足大多數(shù)的應用環(huán)境要求，而且芯片本身的靜態(tài)功耗卻很低 (Icc<150mA)。每一個功率門提供的峰值電流最大達1.5A,其中A系列驅動電流為1.1A，B系列驅動電流為0.5A。

其中 TPIC6B273DN是一種單片、高電壓、中等電流的功率邏輯8位D型鎖存器，具有8個正邊沿觸發(fā)的D型觸發(fā)器，有一個直接清零端，每個觸發(fā)器都是漏極開路功率DMOS晶體管輸出，能提供150mA連續(xù)電流，專為用于需要相對高的負載功率的系統(tǒng)設計，其邏輯示意圖見圖2。它包括一個內建的輸出電壓箝位電路以防感性負載的瞬變電壓;功率驅動器可用來驅動包括繼電器、螺形線圈以及其它中等電流或高電壓的負載。

TPIC6B273DN邏輯功能見表 1，當清零端(CLK)為高時，D輸入端的信息滿足設置時間的要求后，在時鐘(CLK)脈沖的正邊沿該信息被傳送到DRAIN輸出端。時鐘觸發(fā)發(fā)生在特定的電平而與正向脈沖的躍變時間并無直接的關系。當CLK時鐘輸入端不管是高或低電平時，D輸入端的信號對輸出端沒有影響。一個異步的端用來關閉所有8個 DMOS晶體管的輸出。對一個給定的輸出端，當數(shù)據(jù)為低時，對應的DMOS晶體管的輸出被關斷。當數(shù)據(jù)為高時，相應DMOS晶體管的輸出端具有吸入電流的能力。

由于該器件將鎖存器和驅動器做在單一芯片里，可以直接代替前兩種方法中的全部電路，且滿足了輸出模塊的要求，可以先將信號鎖存，而后在輸出刷新時，驅動負載;并能夠提供150mA的連續(xù)電流來驅動較大范圍的負載。基于以上特點，選用TPIC6B273DN來改進傳統(tǒng)輸出模塊的設計方法，并且選用繼電器輸出作為負載。

如圖3本卡在使用過程中將該芯片的接為高電平，CLK上升沿信號由譯碼信號和寫信號經(jīng)或非門74LS02產(chǎn)生。只有兩信號同為低有效時，CLK正邊沿將鎖存數(shù)據(jù)送到DRAIN端，其工作波形見圖4。

結論

采用功率邏輯器件TPIC6B273DN代替輸出模塊由輸出鎖存器、功率放大驅動電路和光電隔離等組成的傳統(tǒng)設計方法。首先在硬件設計上減少了元器大簡化，一改傳統(tǒng)模塊的缺陷，并且設計擴展靈活，系統(tǒng)可靠性得以提高。件數(shù)量，輸出模塊的印刷電路板面積縮小了近3/4，電路連線和布局難度明顯降低，系統(tǒng)體積縮小，較好地滿足了機箱空間對嵌入式可編程控制器面積和體積的約束。其次可保證輸入和輸出點數(shù)，滿足了輸出模塊的要求，以及大范圍輸出負載的要求，經(jīng)過這樣設計使得輸出模塊結構大大簡化，一改傳統(tǒng)模塊的缺陷，并且設計擴展靈活，系統(tǒng)可靠性得以提高。