基于ISA總線多通道控制電路的設計

王 朕，史賢俊

（海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001）

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

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時標識目前的狀態。在測試系統中，該控制電路可在ISA測試總線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，實現對導彈的自動測試。實際應用結果表明，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總線簡介

ISA（Industrial Standard Architecture）總線是 IBM 公司于1984年進一步擴充XT總線標準而形成的。ISA總線標準支持24位的地址線、16位的數據線；支持11級中斷IRQ3～IRQ7、IRQ9～IRQ12、IRQ14～IRQ15； 支持 7 個 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總線保持向下兼容，ISA總線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總線不變，重新增加一個36線的連接插槽，分成C、D兩面，擴充的功能設計在C、D兩面的信號線上[1]。其引腳定義如下：

1）數據總線 SD7～SD0 SD7～SD0為8位雙向三態數據總線，在芯片和主接口間傳輸命令、數據和狀態。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位撥動開關值完全匹配時，內部產生一片選信號使轉換響應I/O周期。

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

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

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

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。寫周期中，當數據從ISA總線上被鎖存時IO CHRDY變高。讀周期中，數據有效時IO CHRDY變高。進行寄存器讀寫時IO CHRDY被拉低。IO CHRDY引腳用集電極開路邏輯門驅動，因此，此信號會由一個內部上拉電阻上拉至邏輯高電平。

6）復位信號RESET RESET信號有效時觸發轉換模塊使FPGA硬重啟。

2 工作原理

如圖1所示，基于ISA總線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，首先將ISA總線的高位地址與板載撥碼開關設定的板基地址進行比較，其低位地址通過地址編碼選通3個讀通道和1個寫通道。讀通道為端口1緩存、端口2緩存、端口3回讀通道，寫通道為端口3緩存通道。當工控機需要讀取反饋信號時，反饋信號從接口CN2輸入16路光耦，通過電阻和跳線模塊設定其工作模式，數據寫入端口1緩存和端口2緩存供工控機讀取；同時每路光耦對應一個LED，實時顯示目前工作狀態。當工控機需要將信號發出時，工控機將數據寫入端口3緩存，經過繼電器驅動器驅動后，控制8路繼電器，由DB1輸出；同時，每路繼電器對應一個LED，實時顯示目前狀態。寫入端口3的數據還可以通過回讀地址將其讀回，回讀地址與寫地址相同。

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板選地址，因此若對某個模塊進行讀寫操作，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總線不能同時讀寫多塊電路插板，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、撥碼開關和編碼芯片組成。ISA地址總線的高位地址SA2...SA9作為板選地址，與撥碼開關設定的板基地址經過編碼芯片U15進行比較，如果比較結果相同，選通地址編碼器U2、U3，將低位地址SA0、SA1進行編碼，得到讀寫控制信號IOR0..IOR2、IOW0。由電路圖可知，對于繼電器通道的控制信號寫與回讀使用的是同一個地址[2]。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

圖1 多通道控制電路原理框圖Fig.1 Structure diagram of the multi－channel control circuit

表1 地址編碼表Tab.1 Address Coding Table

8路單刀雙擲繼電器控制輸出能夠實現輸出開關控制、數據回讀、數據所存、繼電器驅動和工作狀態指示功能，電路圖如圖 3[3－4]所示。 其中電阻 R1、R2、芯片 U16和電容 C17、C18、C19組成輸出開關控制電路；芯片U1和U4實現數據傳遞功、數據所存和數據回讀功能，芯片U9和U10實現繼電器驅動功能，發光二極管LED17到LED24用于工作狀態指示，上拉電阻排RP2實現對繼電器驅動電路和工作狀態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：控制信號通過數據總線SD0～SD7發送給鎖存器U4，在U4使能信號端的控制下，供給繼電器驅動器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，繼電器閉合，同時LED發光表示該通道繼電器正在使用狀態；當控制信號為高電平“1”時，繼電器斷開，同時LED熄滅表示該通道繼電器不在使用狀態；而外部數據由接口DB1輸入，通過繼電器的CHA、CHB和CHC觸點輸出到相應的模塊。

數據回讀時工作原理如下：數據總線SD0～SD7首先經過鎖存器U4后，一路連接到繼電器控制器，另一路連接到總線驅動器U1，當工控機發出讀端口3的命令時，U1選通，數據被重新讀回ISA總線。

圖2 地址編碼電路原理圖Fig.2 Address coding circuit

圖3 SPDT繼電器控制輸出通道電路圖Fig.3 SPDT relay control output channel circuit

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和發光二極管LED1～LED16構成工作狀態指示電路；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構成輸入數據狀態選擇電路[5－6]。

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U6的18引腳輸入數據總線SD0位。光耦輸出的數據同時輸入驅動芯片U7的8好引腳，經U7的12引腳控制發光二極管LED1的狀態，表示傳遞的數據。若由M1輸入的為高電平“1”，則 LED1 發光；否則，LED1 熄滅。

圖4 光耦隔離輸入通道電路原理圖Fig.4 Opto－isolation input channel circuit

4 實驗結果

地址編碼電路實驗波形如圖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。從實驗結果可以看出當SA0、SA1、/IOR都為低電平“0”時，/IOR0 為低電平“0”，/IOR0 有效選中相應的模塊，實現地址編碼功能。

8路SPDT繼電器控制輸出電路實驗結果如表2所示，當選通信號為高電平“1”時，控制信號為高阻態“X”，8路繼電器狀態均為“閉合”；當選通信號為低電平“0”時，在相應控制信號作用下，相應繼電器的狀態發生變化；達到設計要求。

5 結 論

圖5 地址編碼電路實驗結果Fig.5 Address coding circuit results

ISA總線是測試系統通用且最常用的測試總線，測試系統的數據信號、指令信號和地址信號都是在ISA總線下進行傳遞和轉換的。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總線的多通道控制電路，該電路可以通過8路SPDT繼電器通道和16路光耦電路對來自ISA總線的信號進行傳輸或轉換。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，滿足了設計要求。該板根據國軍標進行設計，經環境實驗、電磁干擾實驗和運輸實驗后，正式定型量產并交付部隊使用。該板的研制解決了國外購買價高且周期長的困難，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總線的測試系統，具有廣闊的應用前景。

表2 繼電器控制輸出電路實驗結果Tab.2 Relay control output circuit results

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