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.html target=_blank>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.html target=_blank>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，而有時(shí)往往需要8個(gè)門。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