功率邏輯器件在嵌入式系統中的應用

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，結合功率邏輯器件TPIC6B273的特點(diǎn)，對傳統的輸出模塊進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗證明其簡(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，以及與上位機通信協(xié)調工作中存在的問(wèn)題，結合外掛式和虛擬式的優(yōu)點(diǎn)，本文基于ISA總線(xiàn)技術(shù)自行開(kāi)發(fā)設計了一種插卡嵌入式可編程控制器。從計算機技術(shù)概念看，該嵌入式可編程邏輯控制器是一種工業(yè)控制計算機，控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設備或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，工作于工業(yè)生產(chǎn)現場(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)現的。I/O接口模塊包括輸入隔離、輸入選擇器、輸出鎖存器、驅動(dòng)電路，以及輸入/輸出顯示電路，它的任務(wù)是將被控對象或被控生產(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模塊將運算處理產(chǎn)生的輸出信息送到被控設備或生產(chǎn)現場(chǎng)，驅動(dòng)各種執行機構動(dòng)作，實(shí)現實(shí)時(shí)控制。
I/O能力即輸入輸出點(diǎn)數的總數量決定了可編程控制器的類(lèi)型，本系統主要針對開(kāi)關(guān)量控制設計，結合實(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)數為64：32。
由于生產(chǎn)現場(chǎng)通常暴露于空間，為了保證信號準確無(wú)誤的傳送，要求可編程控制器的I/O模塊具有很強的抗干擾能力。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)。
對于開(kāi)關(guān)量輸出模塊，為了適應工業(yè)過(guò)程中各種執行機構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)驅動(dòng)放大后送到現場(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字邏輯器件加上由分立元件組合成的功率驅動(dòng)電路來(lái)實(shí)現，如緩沖鎖存器74LS273和74LS274等，提供相應的邏輯電平(“0”或“1”)，加上由晶體管、二極管和電阻等組成功率驅動(dòng)電路提供負載所需的功率；另一種方法是用一片集成化的功率驅動(dòng)芯片來(lái)代替第一種方法中由分立元件組成的驅動(dòng)電路，如74LS274+ULN2803或ULN2003，此種方法在一定程度上簡(jiǎn)化了電路的設計，這種芯片僅有商業(yè)級提供，個(gè)別芯片只有7個(gè)功率驅動(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，造成一定冗余。
對于嵌入式可編程控制器，其系統規模和電路印刷板面積和體積受到微機自身空間條件的限制，同時(shí)還得滿(mǎn)足輸入輸出點(diǎn)數的需要，這就要求在設計中必須盡可能地減小某一模塊的面積及體積，以適應系統要求。


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(lèi)型8種型號，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(lèi)芯片允許的工作溫度范圍為-40℃~+125℃，幾乎滿(mǎn)足大多數的應用環(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1.5A,其中A系列驅動(dòng)電流為1.1A，B系列驅動(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連續電流，專(zhuān)為用于需要相對高的負載功率的系統設計，其邏輯示意圖見(jiàn)圖2。它包括一個(gè)內建的輸出電壓箝位電路以防感性負載的瞬變電壓；功率驅動(dòng)器可用來(lái)驅動(dòng)包括繼電器、螺形線(xiàn)圈以及其它中等電流或高電壓的負載。
TPIC6B273DN邏輯功能見(jiàn)表1，當清零端(CLK)為高時(shí)，D輸入端的信息滿(mǎn)足設置時(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CLK時(shí)鐘輸入端不管是高或低電平時(shí)，D輸入端的信號對輸出端沒(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。對一個(gè)給定的輸出端，當數據為低時(shí)，對應的DMOS晶體管的輸出被關(guān)斷。當數據為高時(shí)，相應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(mǎn)足了輸出模塊的要求，可以先將信號鎖存，而后在輸出刷新時(shí)，驅動(dòng)負載；并能夠提供150mA的連續電流來(lái)驅動(dòng)較大范圍的負載?；谝陨咸攸c(diǎn)，選用TPIC6B273DN來(lái)改進(jìn)傳統輸出模塊的設計方法，并且選用繼電器輸出作為負載。
如圖3本卡在使用過(guò)程中將該芯片的接為高電平，CLK上升沿信號由譯碼信號和寫(xiě)信號經(jīng)或非門(mén)74LS02產(chǎn)生。只有兩信號同為低有效時(shí)，CLK正邊沿將鎖存數據送到DRAIN端，其工作波形見(jiàn)圖4。

結論
采用功率邏輯器件TPIC6B273DN代替輸出模塊由輸出鎖存器、功率放大驅動(dòng)電路和光電隔離等組成的傳統設計方法。首先在硬件設計上減少了元器大簡(jiǎn)化，一改傳統模塊的缺陷，并且設計擴展靈活，系統可靠性得以提高。件數量，輸出模塊的印刷電路板面積縮小了近3/4，電路連線(xiàn)和布局難度明顯降低，系統體積縮小，較好地滿(mǎn)足了機箱空間對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，滿(mǎn)足了輸出模塊的要求，以及大范圍輸出負載的要求，經(jīng)過(guò)這樣設計使得輸出模塊結構大大簡(jiǎn)化，一改傳統模塊的缺陷，并且設計擴展靈活，系統可靠性得以提高?！?

參考文獻
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