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(jī)通信協(xié)調(diào)工作中存在的問題，結(jié)合外掛式和虛擬式的優(yōu)點(diǎn)，本文基于ISA總線技術(shù)自行開發(fā)設(shè)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(jī)技術(shù)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(jī)，控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)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(shí)質(zhì)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(shí)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(qū)動電路，以及輸入/輸出顯示電路，它的任務(wù)是將被控對象或被控生產(chǎn)過程的各種變量進(jìn)行采集送入CPU處理，同時控制器又通過I/O模塊將運(yùn)算處理產(chǎn)生的輸出信息送到被控設(shè)備或生產(chǎn)現(xiàn)場，驅(qū)動各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。

I/O能力即輸入輸出點(diǎn)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(guān)量控制設(shè)計，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中輸入開關(guān)量往往大于輸出量的情況，輸入輸出點(diǎn)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(zhǔn)確無誤的傳送，要求可編程控制器的I/O模塊具有很強(qiáng)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(guān)量輸出模塊，為了適應(yīng)工業(yè)過程中各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電平要求和輸出功率的要求，借助于輸出指令將開關(guān)量的狀態(tài)置于輸出緩沖鎖存器，再經(jīng)驅(qū)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(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)，如緩沖鎖存器74LS273和74LS274等，提供相應(yīng)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(qū)動電路提供負(fù)載所需的功率;另一種方法是用一片集成化的功率驅(qū)動芯片來代替第一種方法中由分立元件組成的驅(qū)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(shè)計，這種芯片僅有商業(yè)級提供，個別芯片只有7個功率驅(qū)動門，而有時往往需要8個門。這就需要2片芯片來實(shí)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(jī)自身空間條件的限制，同時還得滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)的需要，這就要求在設(shè)計中必須盡可能地減小某一模塊的面積及體積，以適應(yīng)系統(tǒng)要求。

表1 TPIC6B273DN功能表

圖1 隔離方式開關(guān)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(yīng)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(dá)1.5A,其中A系列驅(qū)動電流為1.1A，B系列驅(qū)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(fù)載功率的系統(tǒng)設(shè)計，其邏輯示意圖見圖2。它包括一個內(nèi)建的輸出電壓箝位電路以防感性負(fù)載的瞬變電壓;功率驅(qū)動器可用來驅(qū)動包括繼電器、螺形線圈以及其它中等電流或高電壓的負(fù)載。

TPIC6B273DN邏輯功能見表 1，當(dāng)清零端(CLK)為高時，D輸入端的信息滿足設(shè)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(guān)系。當(dāng)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(guān)閉所有8個 DMOS晶體管的輸出。對一個給定的輸出端，當(dāng)數(shù)據(jù)為低時，對應(yīng)的DMOS晶體管的輸出被關(guān)斷。當(dāng)數(shù)據(jù)為高時，相應(yīng)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(qū)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(qū)動負(fù)載;并能夠提供150mA的連續(xù)電流來驅(qū)動較大范圍的負(fù)載?；谝陨咸攸c(diǎn)，選用TPIC6B273DN來改進(jìn)傳統(tǒng)輸出模塊的設(shè)計方法，并且選用繼電器輸出作為負(fù)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(jié)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(qū)動電路和光電隔離等組成的傳統(tǒng)設(shè)計方法。首先在硬件設(shè)計上減少了元器大簡化，一改傳統(tǒng)模塊的缺陷，并且設(shè)計擴(kuò)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(jī)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(diǎn)數(shù)，滿足了輸出模塊的要求，以及大范圍輸出負(fù)載的要求，經(jīng)過這樣設(shè)計使得輸出模塊結(jié)構(gòu)大大簡化，一改傳統(tǒng)模塊的缺陷，并且設(shè)計擴(kuò)展靈活，系統(tǒng)可靠性得以提高。