基于ISA總線多通道控制電路的設計

1、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(tǒng)。近年來，隨著導彈測試系統(tǒng)壽命的臨近，在國內(nèi)現(xiàn)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(tǒng)關鍵部件的備件，成為延長系統(tǒng)壽命的一個重要手段。文中依據(jù)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(tài)。在測試系統(tǒng)中，該控制電路可在ISA測試總線的控制下將數(shù)據(jù)信號、指令信號和電源信號分配至不同電路，實現(xiàn)對導彈的自動測試。實際應用結(jié)果表明，研制的多通

2、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(shù)據(jù)線；支持11級中斷IRQ3IRQ7、IRQ9IRQ12、IRQ14IRQ15；支持7個DMA傳輸通道DRQ0DRQ3、DRQ5DRQ7；支持主從控制、IO等待和IO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

3、的信號線上。其引腳定義如下：1)數(shù)據(jù)總線SD7SD0 SD7SD0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SA9SA4、SW DIP-6(板基址011001)和AEN#。這些引腳決定轉(zhuǎn)換是否響應IO周期，當AEN#為邏輯低電平且SA9SA4與6位撥動開關值完全匹配時，內(nèi)部產(chǎn)生一片選信號使轉(zhuǎn)換響應IO周期。2)地址信號SA3SA0 IO讀寫操作時作為轉(zhuǎn)換電路上FPGA芯片內(nèi)的寄存器選擇信號。3)讀寫信號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IOR#有效時，轉(zhuǎn)換模塊直接驅(qū)動8位數(shù)據(jù)線。4)中斷信號INTR 中斷狀

4、態(tài)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 IODY變低表明當前IO周期需要被延長。寫周期中，當數(shù)據(jù)從ISA總線上被鎖存時IODY變高。讀周期中，數(shù)據(jù)有效時IODY變高。進行寄存器讀寫時IODY被拉低。IODY引腳用集電極開路邏輯門驅(qū)動，因此，此信號會由一個內(nèi)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(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，首先將ISA總線的高位地址與板載撥碼

5、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(shù)據(jù)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(tài)。當工控機需要將信號發(fā)出時，工控機將數(shù)據(jù)寫入端口3緩存，經(jīng)過繼電器驅(qū)動器驅(qū)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(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 電路設計按照工作原理可將多通道

6、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。31 地址編碼電路測試系統(tǒng)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(tǒng)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(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、撥碼開關和編碼芯片組成。ISA地址總線的高位地址SA2SA9作為板選地址，與撥碼開關設定的板基地址經(jīng)過編碼芯片U15進行比較，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進行編碼，得到讀寫控制信號IOR0IOR2

7、、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。32 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)輸出開關控制、數(shù)據(jù)回讀、數(shù)據(jù)所存、繼電器驅(qū)動和工作狀態(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組成輸出開關控制電路；芯片U1和U4實現(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實現(xiàn)繼電器驅(qū)動功能，發(fā)光二極管LED17到LED24用于工作狀態(tài)指示，上拉電阻排RP2實現(xiàn)對繼電器驅(qū)動電路和工作狀態(tài)指示電路的限流功能，繼電器控制輸出電路由繼電器RLY1RLY8及相應的輸出濾波電

8、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：控制信號通過數(shù)據(jù)總線SD0SD7發(fā)送給鎖存器U4，在U4使能信號端的控制下，供給繼電器驅(qū)動器U9，U9的輸出端直接控制繼電器的引腳1；當控制信號為低電平“0時，繼電器閉合，同時LED發(fā)光表示該通道繼電器正在使用狀態(tài)；當控制信號為高電平“1時，繼電器斷開，同時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觸點輸出到相應的模塊。數(shù)據(jù)回讀時工作原理如下：數(shù)據(jù)總線SD0SD7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)動器U1，當工控機發(fā)出讀端

9、口3的命令時，U1選通，數(shù)據(jù)被重新讀回ISA總線。33 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LED1LED16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C1C16、集成光耦U11U14、續(xù)流二極管DK1DK16和電阻RK1RK16構(gòu)成16路光耦隔離輸入電路；接插件JP1和M1M16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

10、由光耦U11的9、10引腳輸出鎖存器U6的2號引腳；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)同時輸入驅(qū)動芯片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 實驗結(jié)果地址編碼電路實驗波形如圖5所示，圖中9、10、11分別表示圖2中SA0、SA1、IOR，圖中17代表圖2中芯片U2或U3的157引腳。從實驗結(jié)果可以看出當SA0、SA1、IOR都為低電平“0時，IOR0為低電平“0，IOR0有效選中相應的模塊，實現(xiàn)地址編碼功能。8路SPDT繼電器控制輸出電路實驗結(jié)果如表2所示，當選通信號為

11、高電平“1時，控制信號為高阻態(tài)“X，8路繼電器狀態(tài)均為“閉合；當選通信號為低電平“0時，在相應控制信號作用下，相應繼電器的狀態(tài)發(fā)生變化；達到設計要求。5 結(jié)論ISA總線是測試系統(tǒng)通用且最常用的測試總線，測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號、指令信號和地址信號都是在ISA總線下進行傳遞和轉(zhuǎn)換的。本文依據(jù)某型導彈測試系統(tǒng)的需求，設計研制了一款基于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路光耦電路對來自ISA總線的信號進行傳輸或轉(zhuǎn)換。導彈測試系統(tǒng)信號分配傳輸?shù)念l率為65 MHz，而該板在測試系統(tǒng)上能正常應用，因此該電路板的信號分配傳輸頻率亦可達65 MHz，滿足了設計要求。該板根據(jù)國軍標進行設計，經(jīng)環(huán)境實驗、電磁干擾實驗和運輸實驗后，正式定型量產(chǎn)并交付部隊使用。該板的研制解決了國外購買價高且周期長的困難，有力提高了某型導彈測試設備的自主維修能力；該板也可應用于其他基于ISA總線的測試系統(tǒng)，具有廣闊的應用