ISA總線(xiàn)多通道控制電路的設計

信號分配在測試系統中至關(guān)重要，文中依據某型導彈測試設備的要求設計了一基于ISA總線(xiàn)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(xiàn)的控制下完成數據信號、指令信號和電源信號的輸入輸出。實(shí)際應用結果表明，該多通道控制電路的信號分配傳輸頻率可達6．5 MHz，完全達到設計要求；該電路按國家軍用標準設計定型，在測試領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

九十年代以來(lái)，我國從俄羅斯相繼引進(jìn)了不同型號的導彈，同時(shí)，也引進(jìn)了配套的導彈測試系統。近年來(lái)，隨著(zhù)導彈測試系統壽命的臨近，在國內現有技術(shù)基礎上延長(cháng)其使用壽命是維修保障部門(mén)的重要任務(wù)。為此研制導彈測試系統關(guān)鍵部件的備件，成為延長(cháng)系統壽命的一個(gè)重要手段。

文中依據某型導彈測試設備的要求，設計并研制了基于ISA總線(xiàn)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)標識目前的狀態(tài)。在測試系統中，該控制電路可在ISA測試總線(xiàn)的控制下將數據信號、指令信號和電源信號分配至不同電路，實(shí)現對導彈的自動(dòng)測試。實(shí)際應用結果表明，研制的多通道控制電路達到設計要求，可完全替代俄制電路。

1 ISA總線(xiàn)簡(jiǎn)介

ISA(Industrial Standard Architecture)總線(xiàn)是IBM公司于1984年進(jìn)一步擴充XT總線(xiàn)標準而形成的。ISA總線(xiàn)標準支持24位的地址線(xiàn)、16位的數據線(xiàn)；支持11級中斷IRQ3～IRQ7、IRQ9～IRQ12、IRQ14～IRQ15；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校驗等功能。為了與XT總線(xiàn)保持向下兼容，ISA總線(xiàn)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(xiàn)不變，重新增加一個(gè)36線(xiàn)的連接插槽，分成C、D兩面，擴充的功能設計在C、D兩面的信號線(xiàn)上。其引腳定義如下：

1)數據總線(xiàn)SD7～SD0 SD7～SD0為8位雙向三態(tài)數據總線(xiàn)，在芯片和主接口間傳輸命令、數據和狀態(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#。這些引腳決定轉換是否響應I/O周期，當AEN#為邏輯低電平且SA9～SA4與6位撥動(dòng)開(kāi)關(guān)值完全匹配時(shí)，內部產(chǎn)生一片選信號使轉換響應I/O周期。

2)地址信號SA3～SA0 I/O讀寫(xiě)操作時(shí)作為轉換電路上FPGA芯片內的寄存器選擇信號。

3)讀寫(xiě)信號IOR#，IOW#寫(xiě)操作中，轉換在IOW#上升沿鎖存數據。讀操作中，當IOR#有效時(shí)，轉換模塊直接驅動(dòng)8位數據線(xiàn)。

4)中斷信號INTR 中斷狀態(tài)寄存器某使能中斷為真時(shí)，INTR有效。對INTR的有效聲明沒(méi)有最小脈寬要求。

5)IO通道準備好信號IOCHRDY IO CHRDY變低表明當前I/O周期需要被延長(cháng)。寫(xiě)周期中，當數據從ISA總線(xiàn)上被鎖存時(shí)IO CHRDY變高。讀周期中，數據有效時(shí)IO CHRDY變高。進(jìn)行寄存器讀寫(xiě)時(shí)IO CHRDY被拉低。IO CHRDY引腳用集電極開(kāi)路邏輯門(mén)驅動(dòng)，因此，此信號會(huì )由一個(gè)內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(shí)觸發(fā)轉換模塊使FPGA硬重啟。

2 工作原理

如圖1所示，基于ISA總線(xiàn)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(xiàn)的高位地址與板載撥碼開(kāi)關(guān)設定的板基地址進(jìn)行比較，其低位地址通過(guò)地址編碼選通3個(gè)讀通道和1個(gè)寫(xiě)通道。讀通道為端口1緩存、端口2緩存、端口3回讀通道，寫(xiě)通道為端口3緩存通道。當工控機需要讀取反饋信號時(shí)，反饋信號從接口CN2輸入16路光耦，通過(guò)電阻和跳線(xiàn)模塊設定其工作模式，數據寫(xiě)入端口1緩存和端口2緩存供工控機讀??；同時(shí)每路光耦對應一個(gè)LED，實(shí)時(shí)顯示目前工作狀態(tài)。當工控機需要將信號發(fā)出時(shí)，工控機將數據寫(xiě)入端口3緩存，經(jīng)過(guò)繼電器驅動(dòng)器驅動(dòng)后，控制8路繼電器，由DB1輸出；同時(shí)，每路繼電器對應一個(gè)LED，實(shí)時(shí)顯示目前狀態(tài)。寫(xiě)入端口3的數據還可以通過(guò)回讀地址將其讀回，回讀地址與寫(xiě)地址相同。

3 電路設計

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

測試系統中每塊電路板都有唯一的一個(gè)板選地址，因此若對某個(gè)模塊進(jìn)行讀寫(xiě)操作，必須選定該板選地址；測試系統通常含有多塊電路插板，而ISA總線(xiàn)不能同時(shí)讀寫(xiě)多塊電路插板，因此，測試系統需要地址編碼電路，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(kāi)關(guān)和編碼芯片組成。ISA地址總線(xiàn)的高位地址SA2…SA9作為板選地址，與撥碼開(kāi)關(guān)設定的板基地址經(jīng)過(guò)編碼芯片U15進(jìn)行比較，如果比較結果相同，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(xiě)控制信號IOR0．．IOR2、IOW0。由電路圖可知，對于繼電器通道的控制信號寫(xiě)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實(shí)現輸出開(kāi)關(guān)控制、數據回讀、數據所存、繼電器驅動(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(kāi)關(guān)控制電路；芯片U1和U4實(shí)現數據傳遞功、數據所存和數據回讀功能，芯片U9和U10實(shí)現繼電器驅動(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)現對繼電器驅動(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：控制信號通過(guò)數據總線(xiàn)SD0～SD7發(fā)送給鎖存器U4，在U4使能信號端的控制下，供給繼電器驅動(dòng)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(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)；當控制信號為高電平“1”時(shí)，繼電器斷開(kāi)，同時(shí)LED熄滅表示該通道繼電器不在使用狀態(tài)；而外部數據由接口DB1輸入，通過(guò)繼電器的CHA、CHB和CHC觸點(diǎn)輸出到相應的模塊。

數據回讀時(shí)工作原理如下：數據總線(xiàn)SD0～SD7首先經(jīng)過(guò)鎖存器U4后，一路連接到繼電器控制器，另一路連接到總線(xiàn)驅動(dòng)器U1，當工控機發(fā)出讀端口3的命令時(shí)，U1選通，數據被重新讀回ISA總線(xiàn)。

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構成工作狀態(tài)指示電路；芯片U5、U6和上拉電阻排RP3、RP4構成數據傳遞及所存電路；電容C1～C16、集成光耦U11～U14、續流二極管DK1～DK16和電阻RK1～RK16構成16路光耦隔離輸入電路；接插件JP1和M1～M16構成輸入數據狀態(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，數據由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號引腳；在經(jīng)U6的18引腳輸入數據總線(xiàn)SD0位。光耦輸出的數據同時(shí)輸入驅動(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)，表示傳遞的數據。若由M1輸入的為高電平“1”，則LED1發(fā)光；否則，LED1熄滅。

4 實(shí)驗結果

地址編碼電路實(shí)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1～7代表圖2中芯片U2或U3的15～7引腳。從實(shí)驗結果可以看出當SA0、SA1、/IOR都為低電平“0”時(shí)，/IOR0為低電平“0”，/IOR0有效選中相應的模塊，實(shí)現地址編碼功能。

8路SPDT繼電器控制輸出電路實(shí)驗結果如表2所示，當選通信號為高電平“1”時(shí)，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(shí)，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 結論

ISA總線(xiàn)是測試系統通用且最常用的測試總線(xiàn)，測試系統的數據信號、指令信號和地址信號都是在ISA總線(xiàn)下進(jìn)行傳遞和轉換的。本文依據某型導彈測試系統的需求，設計研制了一款基于ISA總線(xiàn)的多通道控制電路，該電路可以通過(guò)8路SPDT繼電器通道和16路光耦電路對來(lái)自ISA總線(xiàn)的信號進(jìn)行傳輸或轉換。導彈測試系統信號分配傳輸的頻率為6．5 MHz，而該板在測試系統上能正常應用，因此該電路板的信號分配傳輸頻率亦可達6．5 MHz，滿(mǎn)足了設計要求。該板根據國軍標進(jìn)行設計，經(jīng)環(huán)境實(shí)驗、電磁干擾實(shí)驗和運輸實(shí)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(mǎi)價(jià)高且周期長(cháng)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(xiàn)的測試系統，具有廣闊的應用前景。