基于ISA總線多通道控制電路的設計

摘要：信號分配在測試系統中至關重要，文中依據某型導彈測試設備的要求設計了一基于ISA總線的多通道控制電路。該電路集成了16路光耦隔離輸入電路和8路繼電器輸出電路，可在ISA總線的控制下完成數據信號、指令信號和電源信號的輸入輸出。實際應用結果表明，該多通道控制電路的信號分配傳輸頻率可達6．5 MHz，完全達到設計要求；該電路按國家軍用標準設計定型，在測試領域具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：測試系統；ISA總線；信號分配；光電隔離；繼電器

九十年代以來，我國從俄羅斯相繼引進了不同型號的導彈，同時，也引進了配套的導彈測試系統。近年來，隨著導彈測試系統壽命的臨近，在國內現有技術基礎上延長其使用壽命是維修保障部門的重要任務。為此研制導彈測試系統關鍵部件的備件，成為延長系統壽命的一個重要手段。
文中依據某型導彈測試設備的要求，設計并研制了基于ISA總線的多通道控制電路：該電路集成了16路光電隔離輸入通道和8路單刀雙擲(SPDT)繼電器輸出通道，每一路輸入或輸出通道都配有指示燈實時標識目前的狀態。在測試系統中，該控制電路可在ISA測試總線的控制下將數據信號、指令信號和電源信號分配至不同電路，實現對導彈的自動測試。實際應用結果表明，研制的多通道控制電路達到設計要求，可完全替代俄制電路。

1 ISA總線簡介
ISA(Industrial Standard Architecture)總線是IBM公司于1984年進一步擴充XT總線標準而形成的。ISA總線標準支持24位的地址線、16位的數據線；支持11級中斷IRQ3～IRQ7、IRQ9～IRQ12、IRQ14～IRQ15；支持7個DMA傳輸通道DRQ0～DRQ3、DRQ5～DRQ7；支持主從控制、I／O等待和I／O校驗等功能。為了與XT總線保持向下兼容，ISA總線在信號功能的定義和物理接口上均作了特殊的安排，即保持原有的XT總線不變，重新增加一個36線的連接插槽，分成C、D兩面，擴充的功能設計在C、D兩面的信號線上。其引腳定義如下：
1)數據總線SD7～SD0 SD7～SD0為8位雙向三態數據總線，在芯片和主接口間傳輸命令、數據和狀態。SD7為最高位。
寄存器選擇引腳為SA9～SA4、SW DIP-6(板基址011001)和AEN#。這些引腳決定轉換是否響應I／O周期，當AEN#為邏輯低電平且SA9～SA4與6位撥動開關值完全匹配時，內部產生一片選信號使轉換響應I／O周期。
2)地址信號SA3～SA0 I／O讀寫操作時作為轉換電路上FPGA芯片內的寄存器選擇信號。
3)讀寫信號IOR#，IOW#寫操作中，轉換在IOW#上升沿鎖存數據。讀操作中，當IOR#有效時，轉換模塊直接驅動8位數據線。
4)中斷信號INTR 中斷狀態寄存器某使能中斷為真時，INTR有效。對INTR的有效聲明沒有最小脈寬要求。
5)IO通道準備好信號IOCHRDY IO CHRDY變低表明當前I／O周期需要被延長。寫周期中，當數據從ISA總線上被鎖存時IO CHRDY變高。讀周期中，數據有效時IO CHRDY變高。進行寄存器讀寫時IO CHRDY被拉低。IO CHRDY引腳用集電極開路邏輯門驅動，因此，此信號會由一個內部上拉電阻上拉至邏輯高電平。
6)復位信號RESET RESET信號有效時觸發轉換模塊使FPGA硬重啟。

2 工作原理
如圖1所示，基于ISA總線的多通道控制電路由地址編碼、繼電器通道、光耦隔離電路等部分組成。其工作原理如下：電路工作時，首先將ISA總線的高位地址與板載撥碼開關設定的板基地址進行比較，其低位地址通過地址編碼選通3個讀通道和1個寫通道。讀通道為端口1緩存、端口2緩存、端口3回讀通道，寫通道為端口3緩存通道。當工控機需要讀取反饋信號時，反饋信號從接口CN2輸入16路光耦，通過電阻和跳線模塊設定其工作模式，數據寫入端口1緩存和端口2緩存供工控機讀取；同時每路光耦對應一個LED，實時顯示目前工作狀態。當工控機需要將信號發出時，工控機將數據寫入端口3緩存，經過繼電器驅動器驅動后，控制8路繼電器，由DB1輸出；同時，每路繼電器對應一個LED，實時顯示目前狀態。寫入端口3的數據還可以通過回讀地址將其讀回，回讀地址與寫地址相同。

3 電路設計
按照工作原理可將多通道控制電路分為地址編碼電路、繼電器控制輸出通道電路和光耦隔離輸入通道電路3部分。
3．1 地址編碼電路
測試系統中每塊電路板都有唯一的一個板選地址，因此若對某個模塊進行讀寫操作，必須選定該板選地址；測試系統通常含有多塊電路插板，而ISA總線不能同時讀寫多塊電路插板，因此，測試系統需要地址編碼電路，該地址編碼電路位于多通道控制電路上。如圖2所示，地址編碼電路由上拉電阻排、撥碼開關和編碼芯片組成。ISA地址總線的高位地址SA2…SA9作為板選地址，與撥碼開關設定的板基地址經過編碼芯片U15進行比較，如果比較結果相同，選通地址編碼器U2、U3，將低位地址SA0、SA1進行編碼，得到讀寫控制信號IOR0．．IOR2、IOW0。由電路圖可知，對于繼電器通道的控制信號寫與回讀使用的是同一個地址。板選地址編碼方式如表1所示。