1. 引言
目前，隨著軍事、工業(yè)、醫(yī)療、體育等領域的控制系統(tǒng)逐漸向著嵌入式、小型化、集成化方向發(fā)展，以嵌入式主板為主控模塊的嵌入式控制系統(tǒng)獲得了長足發(fā)展。PC104總線嵌入式主板以尺寸小、低功耗、易擴展、高集成度、高可靠性以及開發(fā)環(huán)境優(yōu)異（多種操作系統(tǒng)支持）等優(yōu)點在這些領域獲得廣泛應用。但是，在采用PC104總線嵌入式主板設計控制系統(tǒng)時，PC104總線擴展板卡種類不多且功能比較單一，設計人員往往需要選擇各種不同功能的板卡組合使用，既造成了資源的浪費及設計成本的提高，又導致了控制系統(tǒng)的體積增加及可靠性降低。為此，我們設計了這款集成度較高的PC104總線多功能擴展卡。
該多功能擴展卡是針對國家體育總局奧運科技攻關項目“帆板搖帆訓練測試系統(tǒng)研究”設計的。采用ALTERA公司的ACEX1K系列復雜可編程數(shù)字邏輯器件（CPLD）——EP1K50TI144-4作為主控芯片，集成了8路12位高速模擬量輸入、2路12位模擬量輸出、12路帶光電隔離的24V開關量輸入/輸出及一個正交解碼電路。設計時的通用性考慮使其可作為各種型號的PC104總線嵌入式主板（如3寸主板PCM-5820）的擴展卡。主板CPU可通過總線直接訪問多功能擴展卡的各個功能電路，訪問協(xié)議與臺灣研華的PCL-818HG、PCL-727板卡兼容。
2. 基于CPLD技術的PC104總線多功能擴展卡的硬件設計
多功能擴展卡的硬件設計包括電路板硬件設計和CPLD內(nèi)部硬件設計。
2.1 多功能擴展卡的電路板硬件設計
多功能擴展卡的電路板硬件設計包括：主控電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路、帶光電隔離的開關量輸入/輸出電路及正交解碼輸入電路。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
圖 1 多功能擴展卡電路板硬件設計系統(tǒng)原理框圖
2.1.1主控電路
主控電路由一片CPLD芯片及其編程配置電路（JTAG）、電壓轉(zhuǎn)換電路組成。
CPLD芯片采用ALTERA公司的ACEX1K系列的復雜可編程數(shù)字邏輯器件——EP1K50TI144-4。該芯片具有在線可編程功能，內(nèi)部集成邏輯可通過編程配置電路（JTAG）在線下載，保證了設計的靈活性。電壓轉(zhuǎn)換電路提供芯片的工作電壓2.5V（內(nèi)核電壓）和3.3V（I/O電壓）。
2.1.2 模擬量輸入電路
多功能擴展卡提供了8路單端模擬量輸入，模擬量輸入電路由一片12位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543及8路前端放大電路組成。電路原理圖如圖2（前端放大電路只介紹一路）所示。前端放大電路的功能是將-10~10V的模擬信號轉(zhuǎn)換成0~5V的模擬信號。
圖2 多功能擴展卡模擬量輸入電路
2.1.3 模擬量輸出電路
多功能擴展卡提供了2路模擬量輸出，模擬量輸出電路由兩片12位并行D/A芯片TLV5619及后端放大驅(qū)動電路組成。后端放大電路的功能是將D/A芯片的0~2V的輸出信號放大到0~10V，并提供一定的電路驅(qū)動能力。
2.1.4 開關量輸入/輸出電路
多功能擴展卡提供了12路低電平有效、帶光電隔離的24V開關量輸入/輸出，光電隔離芯片采用TLP281-4。
2.1.5 正交解碼輸入電路
正交解碼輸入電路是一片單電源、四路差分輸入接收芯片SN75175。接收來自交流伺服電機驅(qū)動器的兩路正交差動光電編碼器輸出信號，并將其轉(zhuǎn)換成TTL電平，保證了高速、高可靠性的遠距離信號傳輸。
2.2 多功能擴展卡的CPLD內(nèi)部硬件設計
多功能擴展卡的CPLD內(nèi)部硬件設計包括：地址分配及譯碼電路、A/D模塊控制電路、
D/A模塊控制電路、開關量輸入/輸出模塊控制電路和正交解碼模塊控制電路。
2.2.1 地址分配及譯碼電路
地址分配及譯碼電路包括基地址發(fā)生電路和地址譯碼電路。在與嵌入式主板組成系統(tǒng)時，相對于嵌入式主板而言，多功能擴展卡是一個外圍設備，因此，首先要為該卡設置一個與系統(tǒng)內(nèi)的其他外圍設備不相沖突的基地址，這由擴展卡的基地址設置開關及CPLD內(nèi)部地址分配及譯碼電路完成。地址分配及譯碼電路由數(shù)值比較器74688、譯碼器74154等構成，
2.2.2 A/D模塊控制電路
A/D模塊控制電路的控制邏輯由兩部分組成：其一是實現(xiàn)嵌入式主板通過總線訪問各模擬通道的A/D轉(zhuǎn)換結果，由模擬通道選擇寄存器（74273）、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器（74374）等構成；其二是提供A/D芯片的接口時序，實現(xiàn)A/D芯片八個通道的自動采樣和轉(zhuǎn)換，由串/并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換邏輯（74164）、并/串數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換邏輯（74165）、通道掃描控制邏輯（AD_CTRL_WORD）、A/D控制時序邏輯（AD_CTRLREG）等構成。A/D模塊控制電路的電路設計如圖3所示（轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器只介紹一路）。
圖3 多功能擴展卡A/D模塊控制電路
2.2.3 D/A模塊控制電路
D/A模塊控制電路由74373 IP軟核及相應控制邏輯構成，功能是同時刷新D/A芯片的輸入值。D/A控制模塊電路采用兩級鎖存電路刷新D/A芯片的輸入值，先置高4位字節(jié)數(shù)據(jù)，再置低8位字節(jié)數(shù)據(jù)，置低字節(jié)數(shù)據(jù)的同時使能D/A芯片的片選信號（/CS）、寫信號（/WE），然后置數(shù)據(jù)鎖存信號（/LDAC），刷新D/A的輸出。
2.2.4開關量輸入/輸出模塊控制電路
開關量輸入模塊控制電路由兩片74244 IP軟核及相應地址信號構成，開關量輸出模塊控制電路由兩片74273 IP軟核及相應地址信號構成。功能是實現(xiàn)嵌入式主板通過總線直接訪問各路開關量。
2.2.5 正交解碼模塊控制電路
正交解碼模塊控制電路是針對正交光電編碼器設計的，由方向識別邏輯（DFF）、閘門時間定時器（GATE10MS）、異步清零位置可逆計數(shù)器（COUNTER_P）、異步清零速度可逆計數(shù)器（COUNTER_V）等構成，可用于測量電機輸出軸的轉(zhuǎn)動方向、位置、速度等運動信息。電路設計如圖4所示。
圖4 多功能擴展卡正交解碼模塊控制電路
3 結論
該多功能擴展卡已經(jīng)成功地應用到國家體育總局奧運科技攻關項目“帆板搖帆訓練測試系統(tǒng)研究”中，成功地完成了對交流伺服電機式阻力源的控制。訪問協(xié)議與臺灣研華PC工控機ISA總線板卡兼容，可獲得組態(tài)軟件編程支持。采用了復雜可編程邏輯器件（CPLD）技術，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性。
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