功率邏輯器件在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘  要： 本文簡(jiǎn)要介紹了嵌入式可編程控制器及其I/O模塊，結(jié)合功率邏輯器件TPIC6B273的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的輸出模塊進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)證明其簡(jiǎn)捷有效。
關(guān)鍵詞： 功率邏輯器件；嵌入式；I/O模塊
2002年5月B版

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自身的軟硬件分配，以及與上位機(jī)通信協(xié)調(diào)工作中存在的問(wèn)題，結(jié)合外掛式和虛擬式的優(yōu)點(diǎn)，本文基于ISA總線技術(shù)自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種插卡嵌入式可編程控制器。從計(jì)算機(jī)技術(shù)概念看，該嵌入式可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，控制對(duì)象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，工作于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。它的CPU采用AT89C52，實(shí)質(zhì)是一種智能化I/O接口卡，與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的聯(lián)系就是通過(guò)輸入輸出(I/O)模塊實(shí)現(xiàn)的。I/O接口模塊包括輸入隔離、輸入選擇器、輸出鎖存器、驅(qū)動(dòng)電路，以及輸入/輸出顯示電路，它的任務(wù)是將被控對(duì)象或被控生產(chǎn)過(guò)程的各種變量進(jìn)行采集送入CPU處理，同時(shí)控制器又通過(guò)I/O模塊將運(yùn)算處理產(chǎn)生的輸出信息送到被控設(shè)備或生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。
I/O能力即輸入輸出點(diǎn)數(shù)的總數(shù)量決定了可編程控制器的類型，本系統(tǒng)主要針對(duì)開(kāi)關(guān)量控制設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中輸入開(kāi)關(guān)量往往大于輸出量的情況，輸入輸出點(diǎn)數(shù)為64：32。
由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通常暴露于空間，為了保證信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤的傳送，要求可編程控制器的I/O模塊具有很強(qiáng)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(hào)經(jīng)過(guò)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(duì)于開(kāi)關(guān)量輸出模塊，為了適應(yīng)工業(yè)過(guò)程中各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電平要求和輸出功率的要求，借助于輸出指令將開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)置于輸出緩沖鎖存器，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后送到現(xiàn)場(chǎng)，控制被控過(guò)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(shù)字邏輯器件加上由分立元件組合成的功率驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如緩沖鎖存器74LS273和74LS274等，提供相應(yīng)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(qū)動(dòng)電路提供負(fù)載所需的功率；另一種方法是用一片集成化的功率驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)代替第一種方法中由分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路，如74LS274+ULN2803或ULN2003，此種方法在一定程度上簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，這種芯片僅有商業(yè)級(jí)提供，個(gè)別芯片只有7個(gè)功率驅(qū)動(dòng)門(mén)，而有時(shí)往往需要8個(gè)門(mén)。這就需要2片芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，造成一定冗余。
對(duì)于嵌入式可編程控制器，其系統(tǒng)規(guī)模和電路印刷板面積和體積受到微機(jī)自身空間條件的限制，同時(shí)還得滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)的需要，這就要求在設(shè)計(jì)中必須盡可能地減小某一模塊的面積及體積，以適應(yīng)系統(tǒng)要求。


表1  TPIC6B273DN功能表

圖1  隔離方式開(kāi)關(guān)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

功率邏輯器件TPIC6B273
德州儀器(TI)公司新近推出的功率邏輯器件有三種類型8種型號(hào)，分別是8位移位寄存器(TPIC6595/6A595/6B595)、8位尋址鎖存器(TPIC6259/6A259/6B259)和8位D型鎖存器(TPIC6273/6B273)。此類芯片允許的工作溫度范圍為-40℃~+125℃，幾乎滿足大多數(shù)的應(yīng)用環(huán)境要求，而且芯片本身的靜態(tài)功耗卻很低(Icc<150mA)。每一個(gè)功率門(mén)提供的峰值電流最大達(dá)1.5A,其中A系列驅(qū)動(dòng)電流為1.1A，B系列驅(qū)動(dòng)電流為0.5A。
其中TPIC6B273DN是一種單片、高電壓、中等電流的功率邏輯8位D型鎖存器，具有8個(gè)正邊沿觸發(fā)的D型觸發(fā)器，有一個(gè)直接清零端，每個(gè)觸發(fā)器都是漏極開(kāi)路功率DMOS晶體管輸出，能提供150mA連續(xù)電流，專為用于需要相對(duì)高的負(fù)載功率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其邏輯示意圖見(jiàn)圖2。它包括一個(gè)內(nèi)建的輸出電壓箝位電路以防感性負(fù)載的瞬變電壓；功率驅(qū)動(dòng)器可用來(lái)驅(qū)動(dòng)包括繼電器、螺形線圈以及其它中等電流或高電壓的負(fù)載。
TPIC6B273DN邏輯功能見(jiàn)表1，當(dāng)清零端(CLK)為高時(shí)，D輸入端的信息滿足設(shè)置時(shí)間的要求后，在時(shí)鐘(CLK)脈沖的正邊沿該信息被傳送到DRAIN輸出端。時(shí)鐘觸發(fā)發(fā)生在特定的電平而與正向脈沖的躍變時(shí)間并無(wú)直接的關(guān)系。當(dāng)CLK時(shí)鐘輸入端不管是高或低電平時(shí)，D輸入端的信號(hào)對(duì)輸出端沒(méi)有影響。一個(gè)異步的端用來(lái)關(guān)閉所有8個(gè)DMOS晶體管的輸出。對(duì)一個(gè)給定的輸出端，當(dāng)數(shù)據(jù)為低時(shí)，對(duì)應(yīng)的DMOS晶體管的輸出被關(guān)斷。當(dāng)數(shù)據(jù)為高時(shí)，相應(yīng)DMOS晶體管的輸出端具有吸入電流的能力。
由于該器件將鎖存器和驅(qū)動(dòng)器做在單一芯片里，可以直接代替前兩種方法中的全部電路，且滿足了輸出模塊的要求，可以先將信號(hào)鎖存，而后在輸出刷新時(shí)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載；并能夠提供150mA的連續(xù)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)較大范圍的負(fù)載。基于以上特點(diǎn)，選用TPIC6B273DN來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)輸出模塊的設(shè)計(jì)方法，并且選用繼電器輸出作為負(fù)載。
如圖3本卡在使用過(guò)程中將該芯片的接為高電平，CLK上升沿信號(hào)由譯碼信號(hào)和寫(xiě)信號(hào)經(jīng)或非門(mén)74LS02產(chǎn)生。只有兩信號(hào)同為低有效時(shí)，CLK正邊沿將鎖存數(shù)據(jù)送到DRAIN端，其工作波形見(jiàn)圖4。

結(jié)論
采用功率邏輯器件TPIC6B273DN代替輸出模塊由輸出鎖存器、功率放大驅(qū)動(dòng)電路和光電隔離等組成的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先在硬件設(shè)計(jì)上減少了元器大簡(jiǎn)化，一改傳統(tǒng)模塊的缺陷，并且設(shè)計(jì)擴(kuò)展靈活，系統(tǒng)可靠性得以提高。件數(shù)量，輸出模塊的印刷電路板面積縮小了近3/4，電路連線和布局難度明顯降低，系統(tǒng)體積縮小，較好地滿足了機(jī)箱空間對(duì)嵌入式可編程控制器面積和體積的約束。其次可保證輸入和輸出點(diǎn)數(shù)，滿足了輸出模塊的要求，以及大范圍輸出負(fù)載的要求，經(jīng)過(guò)這樣設(shè)計(jì)使得輸出模塊結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，一改傳統(tǒng)模塊的缺陷，并且設(shè)計(jì)擴(kuò)展靈活，系統(tǒng)可靠性得以提高。■

參考文獻(xiàn)
1. 趙建東. 智能化嵌入式可編程控制器及其集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的研制。西安交通大學(xué)，2000，3
2. TPIC6B273. POWER LOGIC OCTAL D-TYPE LATCH, PRODUCTION DATA[Z].TEXAS INSTRUMENTS, 1997