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在工業控制領域，數字I／O以其簡單、靈活的特性，得到了廣泛的應用。以往對于數字I／O的應用和數量增加的方法通常用GAL和專用I／O芯片采用譯碼擴展等方式來實現，這種方式盡管能夠滿足一定程度上的要求，但對于更大數量的I／O應用，比如幾十甚至上百路的數字I／O，就勉為其難了。為了滿足這種要求，并且進一步提高數字I／O的使用效率，專門針對多路數字I／O進行了基于STD總線的設計，應用Xilinx公司的CPLD進行編程開發，實現了64位數字輸入DIN 0～DIN 31和64位數字輸出DOUT O～DOUT 31，同時每一路I／O可以獨立編程，既可以作為輸入又可以作為輸出。 1 STD總線 目前，STD標準總線已成為工業控制領域內最流行的標準總線之一，主要用于8位微處理機和單片機工業控制系統。STD總線的典型結構如圖1所示。 在工業控制系統的實際應用中，上位機、主控模塊等往往需要通過STD總線，根據STD總線的協議、特性訪問其他的單片機系統。例如，在某測量設備中，上位機、主控模塊可以通過總線上的I／O模塊、A／D模塊接口，采集傳感器的量值，通過STD總線訪問RAM模塊，以及通過STD總線進行主控模塊與總線上其他控制器之間，主控模塊與上位機之間的通信與數據交換等，構成了一個微型的工業控制網絡。本文的多路數字I／O就是STD總線中的一個模塊。 2 多路數字I／O的硬件設計 2．1 電路組成 主要由可編程邏輯電路、電平調理電路、總線接口電路以及電源電路等組成。可編程邏輯硬件采用Xilinx公司的CPLD器件XC95288，應用。Xilinx公司的Project Navigator(ISE)集成開發環境進行編程開發；電平調理電路采用74LS245，具有輸入輸出電平轉換的功能，還可以通過接繼電器或者光電隔離器與外設接口；總線接口電路采用74LS245，對74LS245的DIR(方向)進行讀寫編程，實現了與STD總線的數據通信，電源電路為CPLD以及電平轉換電路等提供必需的電源系統。 硬件實現框圖如圖2所示，虛線框內為多路數字I／O的硬件電路部分。 2．2 性能特點 數量多 CPLD芯片XC95288具有208個管腳，其中用戶I／O管腳數量達到168個，除了地址總線、數據總線以及片選信號等所占用40個I／O之外，其余的128個I／0完全可以作為通用I／0編程使用； 面積小 如此眾多數量的I／O，完全由一片CPLD來實現，簡化了電路設計程序，減少了PCB的設計面積，又提高了數字I／O的穩定性； 靈活性高 由于每一個I／O都可獨立編程，因此在使用過程中變得非常靈活，可以根據現場需求隨時改變其輸入、輸出，在工業控制應用領域為產品的增強與升級提供了極大的靈活性。 此外，該設計還具有傳輸速度高(由CPLD的傳輸特性決定)及電平兼容性好等特點，可滿足用戶在測試、控制及設計應用中的多種需求。 3 多路數字I／O的程序設計 該系統使用業界領先的FPGA設計環境XilinxISE，其將先進的技術與靈活性、易使用性的圖形界面結合在一起，可以在最短的時間，獲得最佳的硬件設計。XC95288 CPLD是低功耗3．3 V器件，288個宏單元，6 400個可用邏輯門，168個用戶I／O，再加上靈活、高度優化的VHDL硬件描述語言，實現了128位數字I／O的程序化設計。 3．1 部分程序代碼 部分程序代碼如下： 其中：addr是10位地址總線；bd是8位數據總線；en_245和dir_245分別是STD總線接口芯片74LS245的片選使能與方向信號；tempx是片內寄存器；io_inx和outx分別是8位輸入、8位輸出I／O口。 3．2 性能描述 多路數字I／O口的選擇由10位地址決定，不同的地址操作不同的。I／O端口，在I／O非動態情況下，數據總線處于高阻狀態，避免了總線沖突，同時也提高了I／O端口的穩定性，減少了高速數據傳輸條件下引起不必要的錯誤，根據現場對I／O輸入、輸出的需要，可以修改程序，靈活改變端口的功能，另外，對于輸出端口，加入了數據寫出后讀回的功能，使得上位機能夠隨時驗證寫出數據的正確性，對于外設信號，通過信號調理板實現電平匹配，進一步增加了本設計的功能可靠性。 4 結語 以CPLD器件為核心，選用Xilinx公司的ISE作為硬件開發平臺，并采用VHDL編程語言，充分應用了可編程邏輯器件的特點，發揮了VHDL硬件描述語言的編程優點。減少了芯片數量，既做到了系統小型化又降低了成本。程序已通過綜合實驗，應用了STD總線的通訊特點，與總線上的其他板卡、設備通訊也極為方便，既解決了工業通信網絡的一般問題，又達到了工業通用I／O的較高要求。總之，該多路數字I／O設計容量高、功耗低、速度快，不僅具有通用性、實用性，而且具有靈活性和移植性，便于調試，為高速I／O開發設計提供了一種很好的嘗試，相信在很多行業都會有廣闊的應用前景。 |
