摘 要: 本文簡要介紹了嵌入式可編程控制器及其I/O模塊,結合功率邏輯器件TPIC6B273的特點,對傳統的輸出模塊進行了改進,實驗證明其簡捷有效。
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自身的軟硬件分配,以及與上位機通信協調工作中存在的問題,結合外掛式和虛擬式的優點,本文基于ISA總線技術自行開發設計了一種插卡嵌入式可編程控制器。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控制計算機,控制對象是工業生產設備或工業生產過程,工作于工業生產現場。它的CPU采用AT89C52,實質是一種智能化I/O接口卡,與工業生產過程的聯系就是通過輸入輸出(I/O)模塊實現的。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模塊將運算處理產生的輸出信息送到被控設備或生產現場,驅動各種執行機構動作,實現實時控制。
I/O能力即輸入輸出點數的總數量決定了可編程控制器的類型,本系統主要針對開關量控制設計,結合實際生產過程中輸入開關量往往大于輸出量的情況,輸入輸出點數為64:32。
由于生產現場通常暴露于空間,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,為了適應工業過程中各種執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置于輸出緩沖鎖存器,再經驅動放大后送到現場,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,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,造成一定冗余。
對于嵌入式可編程控制器,其系統規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℃,幾乎滿足大多數的應用環境要求,而且芯片本身的靜態功耗卻很低(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個正邊沿觸發的D型觸發器,有一個直接清零端,每個觸發器都是漏極開路功率DMOS晶體管輸出,能提供150mA連續電流,專為用于需要相對高的負載功率的系統設計,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。時鐘觸發發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,當數據為低時,對應的DMOS晶體管的輸出被關斷。當數據為高時,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或非門74LS02產生。只有兩信號同為低有效時,CLK正邊沿將鎖存數據送到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設計方法。首先在硬件設計上減少了元器大簡化,一改傳統模塊的缺陷,并且設計擴展靈活,系統可靠性得以提高。件數量,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,滿足了輸出模塊的要求,以及大范圍輸出負載的要求,經過這樣設計使得輸出模塊結構大大簡化,一改傳統模塊的缺陷,并且設計擴展靈活,系統可靠性得以提高。
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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自身的軟硬件分配,以及與上位機通信協調工作中存在的問題,結合外掛式和虛擬式的優點,本文基于ISA總線技術自行開發設計了一種插卡嵌入式可編程控制器。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控制計算機,控制對象是工業生產設備或工業生產過程,工作于工業生產現場。它的CPU采用AT89C52,實質是一種智能化I/O接口卡,與工業生產過程的聯系就是通過輸入輸出(I/O)模塊實現的。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模塊將運算處理產生的輸出信息送到被控設備或生產現場,驅動各種執行機構動作,實現實時控制。
I/O能力即輸入輸出點數的總數量決定了可編程控制器的類型,本系統主要針對開關量控制設計,結合實際生產過程中輸入開關量往往大于輸出量的情況,輸入輸出點數為64:32。
由于生產現場通常暴露于空間,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,為了適應工業過程中各種執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置于輸出緩沖鎖存器,再經驅動放大后送到現場,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,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,造成一定冗余。
對于嵌入式可編程控制器,其系統規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℃,幾乎滿足大多數的應用環境要求,而且芯片本身的靜態功耗卻很低(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個正邊沿觸發的D型觸發器,有一個直接清零端,每個觸發器都是漏極開路功率DMOS晶體管輸出,能提供150mA連續電流,專為用于需要相對高的負載功率的系統設計,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。時鐘觸發發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,當數據為低時,對應的DMOS晶體管的輸出被關斷。當數據為高時,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或非門74LS02產生。只有兩信號同為低有效時,CLK正邊沿將鎖存數據送到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設計方法。首先在硬件設計上減少了元器大簡化,一改傳統模塊的缺陷,并且設計擴展靈活,系統可靠性得以提高。件數量,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,滿足了輸出模塊的要求,以及大范圍輸出負載的要求,經過這樣設計使得輸出模塊結構大大簡化,一改傳統模塊的缺陷,并且設計擴展靈活,系統可靠性得以提高。
- 功率邏輯(5018)
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2021-10-27 09:22:16
什么是嵌入式系統
什么是嵌入式系統:嵌入式系統一般指非PC系統,它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件(OS)(要求實時和多任務操作
2011-08-12 14:37:44
什么是嵌入式系統 嵌入式系統定義
。通常,嵌入式系統是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上,所有帶有數字接口的設備,如手表、微波爐、錄像機、汽車等,都使用嵌入式系統,有些嵌入式系統還包含操作系統,但大多數嵌入式系統都是
2019-09-23 15:57:38
什么是嵌入式系統?
在我們的日常生活中,我們經常使用許多使用嵌入式系統技術設計的電氣和電子電路和套件。計算機,手機,平板,筆記本電腦,數字電子系統以及其他電子和電子設備都是使用嵌入式系統設計的。什么是嵌入式系統?將硬件
2021-12-22 06:11:56
什么是嵌入式系統?
什么是嵌入式系統嵌入式系統(Embedded System) 是一種完全嵌入受控器件內部,為特定應用而設計的專用計算機系統。1、僅有非常有限的硬件資源,成本大幅下降,但對軟件的優化提出更高要求。2
2021-10-28 06:03:10
什么是嵌入式系統?
的標準庫,和其他許多嵌入式系統外設一樣,成為 VLSI 設計中一種標準的器件,用標準的 VHDL 、 Verlog 等硬件語言描述,存儲在器件庫中。用戶只需 定義 出其整個應用系統,仿真通過后就可以
2020-04-16 09:53:31
什么是嵌入式系統?嵌入式系統一般在應用在什么領域?
制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。實際上,只要帶有數字接口的設備,比如是手表、微波爐、錄像機、汽車等等設備,都是在使用嵌入式系統,有些嵌入式系統還包含這操作系統,但是大多的數嵌入式系統都是由單個
2017-03-09 17:58:39
基于嵌入式系統硬件平臺的軟件PLC實現設計
1嵌入式軟PLC的總體結構 嵌入式軟PLC與嵌入式系統共享一個CPU,PLC和嵌入式系統之間沒有多余的導線連接,增加了系統的可靠性,易于實現許多高級功能。PLC中的信息也能通過嵌入式系統的顯示屏顯示,通過嵌入式系統的編輯鍵可方便地對PLC進行編輯操作。
2019-06-19 06:20:54
基于FPGA的嵌入式系統應用
、人機輸入接口等外圍接口,再加上應用軟件,有些還加上了嵌入式操作系統,從而構成完整的系統。隨著微電子技術的進步,SoC已經在很多應用中取代了傳統的以單片機為中心的架構,將很多外設和存儲器集成在一個芯片中,使系統的功耗和體積越來越小,而功能卻越來越強。
2019-06-28 06:18:21
如何系統的學習嵌入式?
都說嵌入式很難,即使去嵌入式培訓機構做系統訓練,其實只是沒有掌握正確的學習嵌入式的方法,學習講究的是一個循序漸進的過程,誰也不能一口吃出一個大胖子,從基礎到專業,從簡單到高深,下面達內講解一下系統學習嵌入式培訓的基本步驟:
2021-03-09 06:23:10
如何利用最新的邏輯分析儀解決復雜高速嵌入式系統的棘手問題?
復雜高速嵌入式系統的設計、開發、測試和調試面臨著新的挑戰,如何利用最新的邏輯分析儀功能解決這些棘手問題?
2021-04-14 06:00:07
如何對嵌入式軟件進行覆蓋測試?
嵌入式軟件的覆蓋測試原理是什么?嵌入式實時操作系統的覆蓋測試工具是什么?Logiscope在嵌入式操作系統DeltaCORE測試中的應用是什么?
2021-05-13 07:30:16
如何設計嵌入式系統中電源管理電路?
針對大部分嵌入式系統的電池電源管理問題,設計了一種為嵌入式系統——尤其是應用在手持式和便攜式設備的嵌入式系統進行電源管理的單元電路模塊。
2019-10-29 06:00:29
微型計算機中的基本電路 嵌入式系統電路特點
都具有低功耗、體積小、集成度高等特點,能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部,從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化,移動能力大大增強,跟網絡的耦合也越來越緊密。2.嵌入式系統是將先進
2019-12-25 16:44:57
怎么減少嵌入式系統的安全維護工作?
嵌入式是一種專用的計算機系統,作為裝置或設備的一部分。通常,嵌入式系統是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上,所有帶有數字接口的設備,如手表、微波爐、錄像機、汽車等,都使用嵌入式
2019-08-16 06:11:23
汽車嵌入式系統的發展如何?
的不斷進步,在汽車電子技術中得到了廣泛應用。目前,從車身控制、底盤控制、發動機管理、主被動安全系統到車載娛樂、信息系統都離不開汽車嵌入式系統的支持。
2019-08-02 07:35:56
汽車電子在嵌入式系統的應用
北京航空航天大學何立民教授在14日“嵌入式系統與單片機學術交流”會上,將中國單片機20年的發展歷程稱作我國“為智能革命奠基的20年”。何教授認為1985-2000年的單片機時代是電子技術應用的時代
2019-07-04 07:59:33
請問嵌入式系統中的遠程調試方法有哪些?
圖1(a)是傳統的嵌入式調試方法:主機PC通過串口與從機嵌入式系統相連,接收從嵌入式系統發來的調試信息并向嵌入式系統發送調試指令,主機和從機之間只能有幾米或者幾十米的距離。
2019-10-28 06:04:45
請問什么是嵌入式系統的核心DSP器件?
技術,不僅可以實現硬件和軟件的優化集成,更主要的是提供了使用 “數字基因技術”的基本工具。從計算機和信息網絡技術發展的角度看,嵌入式系統標志著網絡化計算機時代的到來,標志著計算機應用進入了“通用元素”化和 “數字基因”化發展的新階段,因此,嵌入式系統在計算機應用具有里程碑的意義。
2019-10-28 07:25:18
讀寫SD在嵌入式系統中的作用
讀寫SD是嵌入式系統中一個比較基礎的功能,在很多應用中都可以用得上SD卡。折騰了幾天,總算移植成功了 最新版Fatfs(Fatfs R0.09) ,成功讀寫SD卡下文件。 FatFs是一個通用的文件系統模塊,用于在小型嵌入式系統中實現FAT文件系統。 FatFs 的編寫遵循AN
2021-08-05 08:14:40
調試嵌入式系統設計中的低速串行總線
調試嵌入式系統設計中的低速串行總線今天,嵌入式系統幾乎遍布在人類社會的每個角落。嵌入式系統可以簡單定義為屬于大型系統或機器一部分的一種專用計算機系統,其目的是為該系統或機器提供監測和控制服務。典型
2008-11-26 09:33:38
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