基于ISA總線多通道控制電路的設(shè)計(jì)

摘要：信號(hào)分配在測(cè)試系統(tǒng)中至關(guān)重要，文中依據(jù)某型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備的要求設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)信號(hào)、指令信號(hào)和電源信號(hào)的輸入輸出。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該多通道控制電路的信號(hào)分配傳輸頻率可達(dá)6．5 MHz，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求；該電路按國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)定型，在測(cè)試領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：測(cè)試系統(tǒng)；ISA總線；信號(hào)分配；光電隔離；繼電器

    九十年代以來，我國(guó)從俄羅斯相繼引進(jìn)了不同型號(hào)的導(dǎo)彈，同時(shí)，也引進(jìn)了配套的導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)。近年來，隨著導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)壽命的臨近，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上延長(zhǎng)其使用壽命是維修保障部門的重要任務(wù)。為此研制導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵部件的備件，成為延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命的一個(gè)重要手段。
    文中依據(jù)某型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備的要求，設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)目前的狀態(tài)。在測(cè)試系統(tǒng)中，該控制電路可在ISA測(cè)試總線的控制下將數(shù)據(jù)信號(hào)、指令信號(hào)和電源信號(hào)分配至不同電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的自動(dòng)測(cè)試。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，研制的多通道控制電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可完全替代俄制電路。

1 ISA總線簡(jiǎn)介
    ISA(Industrial Standard Architecture)總線是IBM公司于1984年進(jìn)一步擴(kuò)充XT總線標(biāo)準(zhǔn)而形成的。ISA總線標(biāo)準(zhǔn)支持24位的地址線、16位的數(shù)據(jù)線；支持11級(jí)中斷IRQ3～I(xiàn)RQ7、IRQ9～I(xiàn)RQ12、IRQ14～I(xiàn)RQ15；支持7個(gè)DMA傳輸通道DRQ0～DRQ3、DRQ5～DRQ7；支持主從控制、I／O等待和I／O校驗(yàn)等功能。為了與XT總線保持向下兼容，ISA總線在信號(hào)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(gè)36線的連接插槽，分成C、D兩面，擴(kuò)充的功能設(shè)計(jì)在C、D兩面的信號(hào)線上。其引腳定義如下：
    1)數(shù)據(jù)總線SD7～SD0 SD7～SD0為8位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)總線，在芯片和主接口間傳輸命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)。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(zhuǎn)換是否響應(yīng)I／O周期，當(dāng)AEN#為邏輯低電平且SA9～SA4與6位撥動(dòng)開關(guān)值完全匹配時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生一片選信號(hào)使轉(zhuǎn)換響應(yīng)I／O周期。
    2)地址信號(hào)SA3～SA0 I／O讀寫操作時(shí)作為轉(zhuǎn)換電路上FPGA芯片內(nèi)的寄存器選擇信號(hào)。
    3)讀寫信號(hào)IOR#，IOW#寫操作中，轉(zhuǎn)換在IOW#上升沿鎖存數(shù)據(jù)。讀操作中，當(dāng)IOR#有效時(shí)，轉(zhuǎn)換模塊直接驅(qū)動(dòng)8位數(shù)據(jù)線。
    4)中斷信號(hào)INTR 中斷狀態(tài)寄存器某使能中斷為真時(shí)，INTR有效。對(duì)INTR的有效聲明沒有最小脈寬要求。
    5)IO通道準(zhǔn)備好信號(hào)IOCHRDY IO CHRDY變低表明當(dāng)前I／O周期需要被延長(zhǎng)。寫周期中，當(dāng)數(shù)據(jù)從ISA總線上被鎖存時(shí)IO CHRDY變高。讀周期中，數(shù)據(jù)有效時(shí)IO CHRDY變高。進(jìn)行寄存器讀寫時(shí)IO CHRDY被拉低。IO CHRDY引腳用集電極開路邏輯門驅(qū)動(dòng)，因此，此信號(hào)會(huì)由一個(gè)內(nèi)部上拉電阻上拉至邏輯高電平。
    6)復(fù)位信號(hào)RESET RESET信號(hào)有效時(shí)觸發(fā)轉(zhuǎn)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(shí)，首先將ISA總線的高位地址與板載撥碼開關(guān)設(shè)定的板基地址進(jìn)行比較，其低位地址通過地址編碼選通3個(gè)讀通道和1個(gè)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(dāng)工控機(jī)需要讀取反饋信號(hào)時(shí)，反饋信號(hào)從接口CN2輸入16路光耦，通過電阻和跳線模塊設(shè)定其工作模式，數(shù)據(jù)寫入端口1緩存和端口2緩存供工控機(jī)讀??；同時(shí)每路光耦對(duì)應(yīng)一個(gè)LED，實(shí)時(shí)顯示目前工作狀態(tài)。當(dāng)工控機(jī)需要將信號(hào)發(fā)出時(shí)，工控機(jī)將數(shù)據(jù)寫入端口3緩存，經(jīng)過繼電器驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后，控制8路繼電器，由DB1輸出；同時(shí)，每路繼電器對(duì)應(yīng)一個(gè)LED，實(shí)時(shí)顯示目前狀態(tài)。寫入端口3的數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)
    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(cè)試系統(tǒng)中每塊電路板都有唯一的一個(gè)板選地址，因此若對(duì)某個(gè)模塊進(jìn)行讀寫操作，必須選定該板選地址；測(cè)試系統(tǒng)通常含有多塊電路插板，而ISA總線不能同時(shí)讀寫多塊電路插板，因此，測(cè)試系統(tǒng)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(guān)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(guān)設(shè)定的板基地址經(jīng)過編碼芯片U15進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果相同，選通地址編碼器U2、U3，將低位地址SA0、SA1進(jìn)行編碼，得到讀寫控制信號(hào)IOR0．．IOR2、IOW0。由電路圖可知，對(duì)于繼電器通道的控制信號(hào)寫與回讀使用的是同一個(gè)地址。板選地址編碼方式如表1所示。

3．2 SPDT繼電器控制輸出電路
    8路單刀雙擲繼電器控制輸出能夠?qū)崿F(xiàn)輸出開關(guān)控制、數(shù)據(jù)回讀、數(shù)據(jù)所存、繼電器驅(qū)動(dòng)和工作狀態(tài)指示功能，電路圖如圖3所示。其中電阻R1、R2、芯片U16和電容C17、C18、C19組成輸出開關(guān)控制電路；芯片U1和U4實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞功、數(shù)據(jù)所存和數(shù)據(jù)回讀功能，芯片U9和U10實(shí)現(xiàn)繼電器驅(qū)動(dòng)功能，發(fā)光二極管LED17到LED24用于工作狀態(tài)指示，上拉電阻排RP2實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器驅(qū)動(dòng)電路和工作狀態(tài)指示電路的限流功能，繼電器控制輸出電路由繼電器RLY1～RLY8及相應(yīng)的輸出濾波電容組成。
    如圖3所示，以其中一條控制通道為例，SPDT繼電器控制輸出電路工作原理如下：控制信號(hào)通過數(shù)據(jù)總線SD0～SD7發(fā)送給鎖存器U4，在U4使能信號(hào)端的控制下，供給繼電器驅(qū)動(dòng)器U9，U9的輸出端直接控制繼電器的引腳1；當(dāng)控制信號(hào)為低電平“0”時(shí)，繼電器閉合，同時(shí)LED發(fā)光表示該通道繼電器正在使用狀態(tài)；當(dāng)控制信號(hào)為高電平“1”時(shí)，繼電器斷開，同時(shí)LED熄滅表示該通道繼電器不在使用狀態(tài)；而外部數(shù)據(jù)由接口DB1輸入，通過繼電器的CHA、CHB和CHC觸點(diǎn)輸出到相應(yīng)的模塊。
    數(shù)據(jù)回讀時(shí)工作原理如下：數(shù)據(jù)總線SD0～SD7首先經(jīng)過鎖存器U4后，一路連接到繼電器控制器，另一路連接到總線驅(qū)動(dòng)器U1，當(dāng)工控機(jī)發(fā)出讀端口3的命令時(shí)，U1選通，數(shù)據(jù)被重新讀回ISA總線。
3．3 16路光耦隔離輸入電路
    16路光耦隔離輸入電路如圖4所示，芯片U7、U8、上拉電阻排RP5、RP6和發(fā)光二極管LED1～LED16構(gòu)成工作狀態(tài)指示電路；芯片U5、U6和上拉電阻排RP3、RP4構(gòu)成數(shù)據(jù)傳遞及所存電路；電容C1～C16、集成光耦U11～U14、續(xù)流二極管DK1～DK16和電阻RK1～RK16構(gòu)成16路光耦隔離輸入電路；接插件JP1和M1～M16構(gòu)成輸入數(shù)據(jù)狀態(tài)選擇電路。

    如圖4所示，以其中第一路為例，其工作原理如下：M1的IP1+和IP1-設(shè)定光耦的工作模式后，數(shù)據(jù)由M1的PN1+和PN1-經(jīng)電阻RK1限流后輸入光耦U11的7、8引腳；然后由光耦U11的9、10引腳輸出鎖存器U6的2號(hào)引腳；在經(jīng)U6的18引腳輸入數(shù)據(jù)總線SD0位。光耦輸出的數(shù)據(jù)同時(shí)輸入驅(qū)動(dòng)芯片U7的8好引腳，經(jīng)U7的12引腳控制發(fā)光二極管LED1的狀態(tài)，表示傳遞的數(shù)據(jù)。若由M1輸入的為高電平“1”，則LED1發(fā)光；否則，LED1熄滅。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    地址編碼電路實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，圖中9、10、11分別表示圖2中SA0、SA1、／IOR，圖中1～7代表圖2中芯片U2或U3的15～7引腳。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出當(dāng)SA0、SA1、／IOR都為低電平“0”時(shí)，／IOR0為低電平“0”，／IOR0有效選中相應(yīng)的模塊，實(shí)現(xiàn)地址編碼功能。

    8路SPDT繼電器控制輸出電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，當(dāng)選通信號(hào)為高電平“1”時(shí)，控制信號(hào)為高阻態(tài)“X”，8路繼電器狀態(tài)均為“閉合”；當(dāng)選通信號(hào)為低電平“0”時(shí)，在相應(yīng)控制信號(hào)作用下，相應(yīng)繼電器的狀態(tài)發(fā)生變化；達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論
    ISA總線是測(cè)試系統(tǒng)通用且最常用的測(cè)試總線，測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)、指令信號(hào)和地址信號(hào)都是在ISA總線下進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)換的。本文依據(jù)某型導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)研制了一款基于ISA總線的多通道控制電路，該電路可以通過8路SPDT繼電器通道和16路光耦電路對(duì)來自ISA總線的信號(hào)進(jìn)行傳輸或轉(zhuǎn)換。導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)分配傳輸?shù)念l率為6．5 MHz，而該板在測(cè)試系統(tǒng)上能正常應(yīng)用，因此該電路板的信號(hào)分配傳輸頻率亦可達(dá)6．5 MHz，滿足了設(shè)計(jì)要求。該板根據(jù)國(guó)軍標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)、電磁干擾實(shí)驗(yàn)和運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)后，正式定型量產(chǎn)并交付部隊(duì)使用。該板的研制解決了國(guó)外購買價(jià)高且周期長(zhǎng)的困難，有力提高了某型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備的自主維修能力；該板也可應(yīng)用于其他基于ISA總線的測(cè)試系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。