CN104238404B - 模块式工业控制板卡 - Google Patents
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Abstract
模块式工业控制板卡，属于工业测量和控制系统领域，本发明为解决现有的工业控制板卡功能相对单一，只能实现基本固定的功能，缺乏灵活性这一问题。本发明包括ISA控制母板，该ISA控制母板配置A/D并行输入模块、D/A并行输出模块、D/I并行输入模块和D/O并行输出模块，ISA控制母板包括主板CPLD和总线驱动模块，主板CPLD和四个模块均通过总线驱动模块挂接在ISA总线上；ISA总线与主板CPLD之间连接地址总线和控制总线；主板CPLD的片选信号、读写控制信号输出给四个模块；四个模块的类型反馈信号给主板CPLD。
Description
技术领域
本发明涉及一种支持不同功能模块的ISA控制母版，该母版可支持灵活配置的AD，DA，DIO等模块，属于工业测量和控制系统领域。
背景技术
伴随着工业控制技术的发展，人们对于工业控制板卡的需求也在不断提高，工业控制板卡是工业测量和控制系统中的重要部分，在传统的工业控制板卡设计中，大都采用一体化设计，根据功能的要求，采用通用的分离元件和集成电路进行设计。这样的设计在一定程度上集成度低，并且体积较大，浪费宝贵的工业PC插槽资源，除此之外，灵活性也比较差。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的工业控制板卡功能相对单一，只能实现基本固定的功能，缺乏灵活性这一问题，提供了一种模块式工业控制板卡。
本发明所述模块式工业控制板卡，它包括ISA控制母板，该ISA控制母板配置A/D并行输入模块、D/A并行输出模块、D/I并行输入模块和D/O并行输出模块，
ISA控制母板包括主板CPLD 1和总线驱动模块，主板CPLD 1通过总线驱动模块挂接在ISA总线上；A/D并行输入模块、D/A并行输出模块、D/I并行输入模块和D/O并行输出模块均通过总线驱动模块挂接在ISA总线上；ISA总线的地址信号输出端通过地址总线与主板CPLD的地址信号输入端相连；ISA总线的控制信号输出端通过控制总线与主板CPLD的控制信号输入端相连；
主板CPLD的片选信号输出端分别与A/D并行输入模块、D/A并行输出模块、D/I并行输入模块和D/O并行输出模块的片选信号输入端相连；
主板CPLD的读写控制信号输出端分别与A/D并行输入模块、D/A并行输出模块、D/I并行输入模块和D/O并行输出模块的读写控制信号输入端相连；
A/D并行输入模块、D/A并行输出模块、D/I并行输入模块和D/O并行输出模块的模块类型反馈信号输出端均与主板CPLD的模块类型反馈信号输入端相连。
本发明的优点：本发明所述模块式工业控制板卡以CPLD为核心实现ISA总线与不同控制模块的协调，提高了整个系统的稳定性和可靠性；利用已有成熟模块可大大缩短采购周期和生产制造周期；这种模块式设计大大减少由于新产品的投产对生产系统调整的频率，使新产品更容易生产制造，利于提高产品生产过程的成品率，可以降低生产制造成本，而且硬件实现和维护上均简单可靠。
附图说明
图1是本发明所述模块式工业控制板卡的原理框图；
图2是A/D并行输入模块与ISA控制母板连接的原理框图；
图3是D/A并行输出模块与ISA控制母板连接的原理框图；
图4是参考电压电路的具体电路图；
图5是D/I并行输入模块、D/O并行输出模块与ISA控制母板连接的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述模块式工业控制板卡，它包括ISA控制母板，该ISA控制母板配置A/D并行输入模块3、D/A并行输出模块4、D/I并行输入模块5和D/O并行输出模块6，
ISA控制母板包括主板CPLD1和总线驱动模块2，主板CPLD1通过总线驱动模块2挂接在ISA总线上；A/D并行输入模块3、D/A并行输出模块4、D/I并行输入模块5和D/O并行输出模块6均通过总线驱动模块2挂接在ISA总线上；ISA总线的地址信号输出端通过地址总线与主板CPLD1的地址信号输入端相连；ISA总线的控制信号输出端通过控制总线与主板CPLD1的控制信号输入端相连；
主板CPLD1的片选信号输出端分别与A/D并行输入模块3、D/A并行输出模块4、D/I并行输入模块5和D/O并行输出模块6的片选信号输入端相连；
主板CPLD1的读写控制信号输出端分别与A/D并行输入模块3、D/A并行输出模块4、D/I并行输入模块5和D/O并行输出模块6的读写控制信号输入端相连；
A/D并行输入模块3、D/A并行输出模块4、D/I并行输入模块5和D/O并行输出模块6的模块类型反馈信号输出端均与主板CPLD1的模块类型反馈信号输入端相连。
主板CPLD1采用MAX7000S系列的EPM7128SLC84-10。MAX7000S还含有四个专用输入，它们既可用作通用输入，也可作为每个宏单元和I/O引脚的高速、全局控制信号：时钟、清除及两个输出使能信号。本设计中，除了将时钟信号接入专用输入外，将ISA的读写两个信号和地址允许信号AEN分别接到了两个输出使能端和清除端，使这些信号达到高速、全局的控制目的。另外，EPM7128SLC84-10的I/O管脚电压和内核电压均为5V，所以避免了3.3V的电平转换。电压引脚需加入两个旁路电容，其中大电容用于滤低频，小电容用于滤高频。
本实施方式采用CPLD替代单片机和微处理器，作为系统地控制核心，并且采用模块式设计，使得模块式工业控制板卡有很强的实用性和多功能性。
ISA控制母板安有四个模块的插座，最多可以同时安装四个相同或不同的功能模块，根据实际要求配置。功能模块为A/D并行输入模块3、D/A并行输出模块4、D/I并行输入模块5和D/O并行输出模块6。
ISA总线的地址信号经过主板CPLD1的译码后，与控制信号经过相应的逻辑处理，通过模块上的拨码开关获得四个模块的读写类型，并产生对相应模块的片选和读写等控制信号，从而进行四个模块、主板CPLD1与ISA总线之间的数据传递，协调四个模块的运行。四个模块的数据总线直接接到ISA总线上，并没有像一般设计中将外围电路的数据总线分别接到主板CPLD1中，所以很大程度上减少了主板CPLD1所使用的资源和规模，有较好的经济性。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，A/D并行输入模块3包括模拟多路开关301、A/D转换芯片302和下位CPLD303；模拟多路开关301接收四路模拟输入信号，模拟多路开关301的输出端与A/D转换芯片302的模拟信号输入端相连，A/D转换芯片302的数字信号输出端与下位CPLD303的数字信号输入端相连；下位CPLD303的选通控制信号输出端与模拟多路开关301的选通控制信号输入端相连；下位CPLD303的转换控制指令输出端与A/D转换芯片302的转换控制指令输入端相连；
下位CPLD303的数据输出端通过总线驱动模块2与ISA总线的数据输入端相连；
下位CPLD303的上位机指令输入端与主板CPLD1的指令输出端相连。
模拟多路开关301采用ADG452单芯片CMOS器件；A/D转换芯片302采用ADI公司的AD1674，CPLD303采用MAX7000S系列的EPM7128SLC84-10。
模拟信号的输入，采用A/D并行输入模块3实现，如图2所示。设计上要求AD在板卡通电时就开始进行四通道的循环采集，这一过程是不需要上位机(主板CPLD1)进行控制的。当上位机发出相应的片选、读信号和通道选择信号时，立刻将相应通道锁存器中的数字量传给上位机。由于AD芯片在某一时刻只能转换一路模拟信号，因此，四路模拟信号需要先经过模拟多路开关301，先选择第一路进行转换。经过A/D转换芯片302模数转换完成之后的数字量需要存到下位CPLD303内相应锁存器中，利用AD的转换完成信号来触发下一次的开始转换信号，并且利用环形计数器来选择第二路模拟信号进行AD转换，同时第二路的锁存器使能，锁存住第二路的数字信号，如此循环。在设计上，AD模块使用一片CPLD(下位CPLD303)来实现循环计数，四个通道的锁存器，及控制信号的逻辑关系等。
具体实施方式三：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，D/A并行输出模块4包括信号调理电路401、D/A转换芯片402和参考电压电路403；参考电压电路403的参考电压输出端与D/A转换芯片402的参考电压输入端相连；D/A转换芯片402的上位机指令输入端与主板CPLD1的指令输出端相连；D/A转换芯片402的模拟数据输入端通过总线驱动模块与ISA总线的数据输出端相连；
D/A转换芯片402的数字信号输出端与信号调理电路401的数字信号输入端相连；信号调理电路401输出四路模拟信号。
信号调理电路401采用LF347高阻型运算放大器。
D/A转换芯片402采用ADI公司的AD5725。
参考电压电路403包括REF102AP电压参考源和INA105KP运算放大器；REF102AP电压参考源的4脚同时连接INA105KP运算放大器的1脚、3脚和4脚，并接地；REF102AP电压参考源的6脚连接INA105KP运算放大器的2脚，同时输出+10V电压参考源；INA105KP运算放大器的5脚和6脚连接，并输出-10V电压参考源。
REF102是一款高精度电压参考源，用来产生精确的+10V电压。它具有低功耗，低噪声和出色的温度稳定性。REF102的输出电压几乎不随供电电源电压及负载变化。通过调整外接电阻，输出电压的稳定性及温度漂移可降到最小。优异的全面性能使其在DA及高精度直流电源等方面得到广泛的应用。此外，REF102供电电压范围为11.4V～36V，为了充分利用ISA提供的电压，这里选择+12V。
INA105是一款精密多功能运算放大器，它结合了集成运放与一些外围元件。利用它的不同组合连接，可以组成各种很有特色的精密应用电路。INA105的核心部分是一个精密运算放大器，其失调电压典型值仅为50μV，与常规集成运放不同的是，它在芯片上同时制作了四个电阻，分别连接运放的两个输入端。这四个电阻通过激光调阻技术将它精确调到25KΩ。这样，利用这四个电阻的不同连接就能组成很有特色的应用电路，而且一般无需再外接精密电阻。这里利用REF102的+10V电压，产生精确的-10V，从而满足DA对参考电压的要求。
模拟信号的输出采用D/A并行输出模块4实现。CPLD通过发送给DA的控制信号和通道选择信号，将ISA的12位数字量传给DA，DA芯片在接收到该数字量之后开始进行数模转换，根据选择通道信号将转换后的模拟信号经过运算放大器的处理后输出，达到控制外设的目的。
信号调理电路401用来提高DA输出的驱动能力。
具体实施方式四：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，D/I并行输入模块5采用输入锁存器，D/O并行输出模块6采用输出锁存器；输入锁存器接收数字输入信号，输入锁存器的输出端与主板CPLD1的输入端相连；主板CPLD1的输出端与输出锁存器的输入端相连；输入锁存器和输出锁存器的数据输出端通过总线驱动模块2与ISA总线的数据输入端相连。
输入锁存器和输出锁存器均采用74573三态输出的八个D锁存器。
数字信号部分，首先是数字信号的输入。16位开关量信号在主板CPLD1给出有效控制信号时，会将相应的锁存器使能，16位数字信号传给上位机；当控制信号无效时，输出使能信号呈高阻状态，不影响其它模块的数据传递。
其次是数字信号的输出。16位开关量信号在控制信号无效时，一直保持输出上一次锁存住的数字量，只有当主板CPLD1发出有效控制信号时，锁存器才将新传过来的数字量输出。
Claims (8)
1.模块式工业控制板卡，其特征在于，包括ISA控制母板，该ISA控制母板配置A/D并行输入模块（3）、D/A并行输出模块（4）、D/I并行输入模块（5）和D/O并行输出模块（6），
ISA控制母板包括主板CPLD（1）和总线驱动模块（2），主板CPLD（1）通过总线驱动模块（2）挂接在ISA总线上；A/D并行输入模块（3）、D/A并行输出模块（4）、D/I并行输入模块（5）和D/O并行输出模块（6）均通过总线驱动模块（2）挂接在ISA总线上；ISA总线的地址信号输出端通过地址总线与主板CPLD（1）的地址信号输入端相连；ISA总线的控制信号输出端通过控制总线与主板CPLD（1）的控制信号输入端相连；
主板CPLD（1）的片选信号输出端分别与A/D并行输入模块（3）、D/A并行输出模块（4）、D/I并行输入模块（5）和D/O并行输出模块（6）的片选信号输入端相连；
主板CPLD（1）的读写控制信号输出端分别与A/D并行输入模块（3）、D/A并行输出模块（4）、D/I并行输入模块（5）和D/O并行输出模块（6）的读写控制信号输入端相连；
A/D并行输入模块（3）、D/A并行输出模块（4）、D/I并行输入模块（5）和D/O并行输出模块（6）的模块类型反馈信号输出端均与主板CPLD（1）的模块类型反馈信号输入端相连;
A/D并行输入模块（3）包括模拟多路开关（301）、A/D转换芯片（302）和下位CPLD（303）；模拟多路开关（301）接收四路模拟输入信号，模拟多路开关（301）的输出端与A/D转换芯片（302）的模拟信号输入端相连，A/D转换芯片（302）的数字信号输出端与下位CPLD（303）的数字信号输入端相连；下位CPLD（303）的选通控制信号输出端与模拟多路开关（301）的选通控制信号输入端相连；下位CPLD（303）的转换控制指令输出端与A/D转换芯片（302）的转换控制指令输入端相连；
下位CPLD（303）的数据输出端通过总线驱动模块（2）与ISA总线的数据输入端相连；主板CPLD（1）采用MAX7000S系列的EPM7128SLC84-10型号，
下位CPLD（303）的上位机指令输入端与主板CPLD（1）的指令输出端相连。
2.根据权利要求1所述模块式工业控制板卡，其特征在于，模拟多路开关（301）采用ADG452单芯片CMOS器件；A/D转换芯片（302） 采用ADI公司的AD1674，下位CPLD（303）采用MAX7000S系列的EPM7128SLC84-10。
3.根据权利要求1所述模块式工业控制板卡，其特征在于，D/A并行输出模块（4）包括信号调理电路（401）、D/A转换芯片（402）和参考电压电路（403）；参考电压电路（403） 的参考电压输出端与D/A转换芯片（402）的参考电压输入端相连；D/A转换芯片（402）的上位机指令输入端与主板CPLD（1）的指令输出端相连；D/A转换芯片（402）的模拟数据输入端通过总线驱动模块与ISA总线的数据输出端相连；
D/A转换芯片（402）的数字信号输出端与信号调理电路（401）的数字信号输入端相连；信号调理电路（401）输出四路模拟信号。
4.根据权利要求3所述模块式工业控制板卡，其特征在于，D/A转换芯片（402）采用ADI公司的AD5725。
5.根据权利要求3所述模块式工业控制板卡，其特征在于，参考电压电路（403）包括REF102AP电压参考源和INA105KP运算放大器；REF102AP电压参考源的4脚同时连接INA105KP运算放大器的1脚、3脚和4脚，并接地；REF102AP电压参考源的6脚连接INA105KP运算放大器的2脚，同时输出+10V参考电压；INA105KP运算放大器的5脚和6脚连接，并输出-10V参考电压。
6.根据权利要求3所述模块式工业控制板卡，其特征在于，信号调理电路（401）采用LF347高阻型运算放大器。
7.根据权利要求1所述模块式工业控制板卡，其特征在于，D/I并行输入模块（5）采用输入锁存器，D/O并行输出模块（6）采用输出锁存器；输入锁存器接收数字输入信号，输入锁存器的输出端与主板CPLD（1）的输入端相连；主板CPLD（1）的输出端与输出锁存器的输入端相连；输入锁存器和输出锁存器的数据输出端通过总线驱动模块（2）与ISA总线的数据输入端相连。
8.根据权利要求7所述模块式工业控制板卡，其特征在于，输入锁存器和输出锁存器均采用74573三态输出的八个D锁存器。
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