功率邏輯器件在嵌入式系統中的應用分析

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.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