模塊式工業(yè)控制板卡的制作方法
【專利摘要】模塊式工業(yè)控制板卡，屬于工業(yè)測量和控制系統(tǒng)領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有的工業(yè)控制板卡功能相對單一，只能實(shí)現(xiàn)基本固定的功能，缺乏靈活性這一問題。本發(fā)明包括ISA控制母板，該ISA控制母板配置A/D并行輸入模塊、D/A并行輸出模塊、D/I并行輸入模塊和D/O并行輸出模塊，ISA控制母板包括主板CPLD和總線驅(qū)動模塊，主板CPLD和四個模塊均通過總線驅(qū)動模塊掛接在ISA總線上；ISA總線與主板CPLD之間連接地址總線和控制總線；主板CPLD的片選信號、讀寫控制信號輸出給四個模塊；四個模塊的類型反饋信號給主板CPLD。
【專利說明】模塊式工業(yè)控制板卡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種支持不同功能模塊的ISA控制母版，該母版可支持靈活配置的AD, DA, D1等模塊，屬于工業(yè)測量和控制系統(tǒng)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，人們對于工業(yè)控制板卡的需求也在不斷提高，工業(yè)控制板卡是工業(yè)測量和控制系統(tǒng)中的重要部分，在傳統(tǒng)的工業(yè)控制板卡設(shè)計(jì)中，大都采用一體化設(shè)計(jì)，根據(jù)功能的要求，采用通用的分離元件和集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)在一定程度上集成度低，并且體積較大，浪費(fèi)寶貴的工業(yè)PC插槽資源，除此之外，靈活性也比較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有的工業(yè)控制板卡功能相對單一，只能實(shí)現(xiàn)基本固定的功能，缺乏靈活性這一問題，提供了一種模塊式工業(yè)控制板卡。
[0004]本發(fā)明所述模塊式工業(yè)控制板卡，它包括ISA控制母板，該ISA控制母板配置A/D并行輸入模塊、D/A并行輸出模塊、D/1并行輸入模塊和D/0并行輸出模塊，
[0005]ISA控制母板包括主板CPLD I和總線驅(qū)動模塊，主板CPLD I通過總線驅(qū)動模塊掛接在ISA總線上；A/D并行輸入模塊、D/A并行輸出模塊、D/1并行輸入模塊和D/0并行輸出模塊均通過總線驅(qū)動模塊掛接在ISA總線上；ISA總線的地址信號輸出端通過地址總線與主板CPLD的地址信號輸入端相連；ISA總線的控制信號輸出端通過控制總線與主板CPLD的控制信號輸入端相連；
[0006]主板CPLD的片選信號輸出端分別與A/D并行輸入模塊、D/A并行輸出模塊、D/Ι并行輸入模塊和D/0并行輸出模塊的片選信號輸入端相連；
[0007]主板CPLD的讀寫控制信號輸出端分別與A/D并行輸入模塊、D/A并行輸出模塊、D/Ι并行輸入模塊和D/0并行輸出模塊的讀寫控制信號輸入端相連；
[0008]A/D并行輸入模塊、D/A并行輸出模塊、D/1并行輸入模塊和D/0并行輸出模塊的模塊類型反饋信號輸出端均與主板CPLD的模塊類型反饋信號輸入端相連。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明所述模塊式工業(yè)控制板卡以CPLD為核心實(shí)現(xiàn)ISA總線與不同控制模塊的協(xié)調(diào)，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；利用已有成熟模塊可大大縮短采購周期和生產(chǎn)制造周期；這種模塊式設(shè)計(jì)大大減少由于新產(chǎn)品的投產(chǎn)對生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)整的頻率，使新產(chǎn)品更容易生產(chǎn)制造，利于提高產(chǎn)品生產(chǎn)過程的成品率，可以降低生產(chǎn)制造成本，而且硬件實(shí)現(xiàn)和維護(hù)上均簡單可靠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明所述模塊式工業(yè)控制板卡的原理框圖；
[0011]圖2是A/D并行輸入模塊與ISA控制母板連接的原理框圖；
[0012]圖3是D/A并行輸出模塊與ISA控制母板連接的原理框圖；
[0013]圖4是參考電壓電路的具體電路圖；
[0014]圖5是D/Ι并行輸入模塊、D/0并行輸出模塊與ISA控制母板連接的原理框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述模塊式工業(yè)控制板卡，它包括ISA控制母板，該ISA控制母板配置A/D并行輸入模塊3、D/A并行輸出模塊
4、D/1并行輸入模塊5和D/0并行輸出模塊6,
[0016]ISA控制母板包括主板CPLDl和總線驅(qū)動模塊2，主板CPLDl通過總線驅(qū)動模塊2掛接在ISA總線上；A/D并行輸入模塊3、D/A并行輸出模塊4、D/Ι并行輸入模塊5和D/0并行輸出模塊6均通過總線驅(qū)動模塊2掛接在ISA總線上；ISA總線的地址信號輸出端通過地址總線與主板CPLDl的地址信號輸入端相連；ISA總線的控制信號輸出端通過控制總線與主板CPLDl的控制信號輸入端相連；
[0017]主板CPLDl的片選信號輸出端分別與A/D并行輸入模塊3、D/A并行輸出模塊4、D/1并行輸入模塊5和D/0并行輸出模塊6的片選信號輸入端相連；
[0018]主板CPLDl的讀寫控制信號輸出端分別與A/D并行輸入模塊3、D/A并行輸出模塊
4、D/1并行輸入模塊5和D/0并行輸出模塊6的讀寫控制信號輸入端相連；
[0019]A/D并行輸入模塊3、D/A并行輸出模塊4、D/I并行輸入模塊5和D/0并行輸出模塊6的模塊類型反饋信號輸出端均與主板CPLDl的模塊類型反饋信號輸入端相連。
[0020]主板CPLDl采用MAX7000S系列的EPM7128SLC84-10OMAX7000S還含有四個專用輸入，它們既可用作通用輸入，也可作為每個宏單元和I/o引腳的高速、全局控制信號:時鐘、清除及兩個輸出使能信號。本設(shè)計(jì)中，除了將時鐘信號接入專用輸入外，將ISA的讀寫兩個信號和地址允許信號AEN分別接到了兩個輸出使能端和清除端，使這些信號達(dá)到高速、全局的控制目的。另外，EPM7128SLC84-10的I/O管腳電壓和內(nèi)核電壓均為5V，所以避免了
3.3V的電平轉(zhuǎn)換。電壓引腳需加入兩個旁路電容，其中大電容用于濾低頻，小電容用于濾高頻。
[0021]本實(shí)施方式采用CPLD替代單片機(jī)和微處理器，作為系統(tǒng)地控制核心，并且采用模塊式設(shè)計(jì)，使得模塊式工業(yè)控制板卡有很強(qiáng)的實(shí)用性和多功能性。
[0022]ISA控制母板安有四個模塊的插座，最多可以同時安裝四個相同或不同的功能模塊，根據(jù)實(shí)際要求配置。功能模塊為A/D并行輸入模塊3、D/A并行輸出模塊4、D/I并行輸入模塊5和D/0并行輸出模塊6。
[0023]ISA總線的地址信號經(jīng)過主板CPLDl的譯碼后，與控制信號經(jīng)過相應(yīng)的邏輯處理，通過模塊上的撥碼開關(guān)獲得四個模塊的讀寫類型，并產(chǎn)生對相應(yīng)模塊的片選和讀寫等控制信號，從而進(jìn)行四個模塊、主板CPLDl與ISA總線之間的數(shù)據(jù)傳遞，協(xié)調(diào)四個模塊的運(yùn)行。四個模塊的數(shù)據(jù)總線直接接到ISA總線上，并沒有像一般設(shè)計(jì)中將外圍電路的數(shù)據(jù)總線分別接到主板CPLDl中，所以很大程度上減少了主板CPLDl所使用的資源和規(guī)模，有較好的經(jīng)濟(jì)性。
[0024]【具體實(shí)施方式】二:下面結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，A/D并行輸入模塊3包括模擬多路開關(guān)301、A/D轉(zhuǎn)換芯片302和下位CPLD303 ；模擬多路開關(guān)301接收四路模擬輸入信號，模擬多路開關(guān)301的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換芯片302的模擬信號輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片302的數(shù)字信號輸出端與下位CPLD303的數(shù)字信號輸入端相連；下位CPLD303的選通控制信號輸出端與模擬多路開關(guān)301的選通控制信號輸入端相連；下位CPLD303的轉(zhuǎn)換控制指令輸出端與A/D轉(zhuǎn)換芯片302的轉(zhuǎn)換控制指令輸入端相連；
[0025]下位CPLD303的數(shù)據(jù)輸出端通過總線驅(qū)動模塊2與ISA總線的數(shù)據(jù)輸入端相連；
[0026]下位CPLD303的上位機(jī)指令輸入端與主板CPLDl的指令輸出端相連。
[0027]模擬多路開關(guān)301采用ADG452單芯片CMOS器件；A/D轉(zhuǎn)換芯片302采用ADI公司的 AD1674，CPLD303 采用 MAX7000S 系列的 EPM7128SLC84-10。
[0028]模擬信號的輸入，采用A/D并行輸入模塊3實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。設(shè)計(jì)上要求AD在板卡通電時就開始進(jìn)行四通道的循環(huán)采集，這一過程是不需要上位機(jī)(主板CPLD1)進(jìn)行控制的。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的片選、讀信號和通道選擇信號時，立刻將相應(yīng)通道鎖存器中的數(shù)字量傳給上位機(jī)。由于AD芯片在某一時刻只能轉(zhuǎn)換一路模擬信號，因此，四路模擬信號需要先經(jīng)過模擬多路開關(guān)301，先選擇第一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片302模數(shù)轉(zhuǎn)換完成之后的數(shù)字量需要存到下位CPLD303內(nèi)相應(yīng)鎖存器中，利用AD的轉(zhuǎn)換完成信號來觸發(fā)下一次的開始轉(zhuǎn)換信號，并且利用環(huán)形計(jì)數(shù)器來選擇第二路模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，同時第二路的鎖存器使能，鎖存住第二路的數(shù)字信號，如此循環(huán)。在設(shè)計(jì)上，AD模塊使用一片CPLD (下位CPLD303)來實(shí)現(xiàn)循環(huán)計(jì)數(shù)，四個通道的鎖存器，及控制信號的邏輯關(guān)系等。
[0029]【具體實(shí)施方式】三:下面結(jié)合圖3和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，D/A并行輸出模塊4包括信號調(diào)理電路401、D/A轉(zhuǎn)換芯片402和參考電壓電路403 ;參考電壓電路403的參考電壓輸出端與D/A轉(zhuǎn)換芯片402的參考電壓輸入端相連；D/A轉(zhuǎn)換芯片402的上位機(jī)指令輸入端與主板CPLDl的指令輸出端相連；D/A轉(zhuǎn)換芯片402的模擬數(shù)據(jù)輸入端通過總線驅(qū)動模塊與ISA總線的數(shù)據(jù)輸出端相連；
[0030]D/A轉(zhuǎn)換芯片402的數(shù)字信號輸出端與信號調(diào)理電路401的數(shù)字信號輸入端相連；信號調(diào)理電路401輸出四路模擬信號。
[0031]信號調(diào)理電路401采用LF347高阻型運(yùn)算放大器。
[0032]D/A轉(zhuǎn)換芯片402采用ADI公司的AD5725。
[0033]參考電壓電路403包括REF102AP電壓參考源和INA105KP運(yùn)算放大器；REF102AP電壓參考源的4腳同時連接INA105KP運(yùn)算放大器的I腳、3腳和4腳，并接地；REF102AP電壓參考源的6腳連接INA105KP運(yùn)算放大器的2腳，同時輸出+1V電壓參考源；INA105KP運(yùn)算放大器的5腳和6腳連接，并輸出-1OV電壓參考源。
[0034]REF102是一款高精度電壓參考源，用來產(chǎn)生精確的+1V電壓。它具有低功耗，低噪聲和出色的溫度穩(wěn)定性。REF102的輸出電壓幾乎不隨供電電源電壓及負(fù)載變化。通過調(diào)整外接電阻，輸出電壓的穩(wěn)定性及溫度漂移可降到最小。優(yōu)異的全面性能使其在DA及高精度直流電源等方面得到廣泛的應(yīng)用。此外，REF102供電電壓范圍為11.4V?36V，為了充分利用ISA提供的電壓，這里選擇+12V。
[0035]INA105是一款精密多功能運(yùn)算放大器，它結(jié)合了集成運(yùn)放與一些外圍元件。利用它的不同組合連接，可以組成各種很有特色的精密應(yīng)用電路。INA105的核心部分是一個精密運(yùn)算放大器，其失調(diào)電壓典型值僅為50 μ V，與常規(guī)集成運(yùn)放不同的是，它在芯片上同時制作了四個電阻，分別連接運(yùn)放的兩個輸入端。這四個電阻通過激光調(diào)阻技術(shù)將它精確調(diào)到25ΚΩ。這樣，利用這四個電阻的不同連接就能組成很有特色的應(yīng)用電路，而且一般無需再外接精密電阻。這里利用REF102的+1V電壓，產(chǎn)生精確的-10V，從而滿足DA對參考電壓的要求。
[0036]模擬信號的輸出采用D/A并行輸出模塊4實(shí)現(xiàn)。CPLD通過發(fā)送給DA的控制信號和通道選擇信號，將ISA的12位數(shù)字量傳給DA，DA芯片在接收到該數(shù)字量之后開始進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，根據(jù)選擇通道信號將轉(zhuǎn)換后的模擬信號經(jīng)過運(yùn)算放大器的處理后輸出，達(dá)到控制外設(shè)的目的。
[0037]信號調(diào)理電路401用來提高DA輸出的驅(qū)動能力。
[0038]【具體實(shí)施方式】四:下面結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，D/Ι并行輸入模塊5采用輸入鎖存器，D/0并行輸出模塊6采用輸出鎖存器；輸入鎖存器接收數(shù)字輸入信號，輸入鎖存器的輸出端與主板CPLDl的輸入端相連；主板CPLDl的輸出端與輸出鎖存器的輸入端相連；輸入鎖存器和輸出鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端通過總線驅(qū)動模塊2與ISA總線的數(shù)據(jù)輸入端相連。
[0039]輸入鎖存器和輸出鎖存器均采用74573三態(tài)輸出的八個D鎖存器。
[0040]數(shù)字信號部分，首先是數(shù)字信號的輸入。16位開關(guān)量信號在主板CPLDl給出有效控制信號時，會將相應(yīng)的鎖存器使能，16位數(shù)字信號傳給上位機(jī)；當(dāng)控制信號無效時，輸出使能信號呈高阻狀態(tài)，不影響其它模塊的數(shù)據(jù)傳遞。
[0041]其次是數(shù)字信號的輸出。16位開關(guān)量信號在控制信號無效時，一直保持輸出上一次鎖存住的數(shù)字量，只有當(dāng)主板CPLDl發(fā)出有效控制信號時，鎖存器才將新傳過來的數(shù)字量輸出。
【權(quán)利要求】
1.模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，它包括ISA控制母板，該ISA控制母板配置A/D并行輸入模塊(3)、D/A并行輸出模塊(4)、D/I并行輸入模塊(5)和D/Ο并行輸出模塊(6), ISA控制母板包括主板CPLD (I)和總線驅(qū)動模塊(2)，主板CPLD (I)通過總線驅(qū)動模塊(2)掛接在ISA總線上；A/D并行輸入模塊(3)、D/A并行輸出模塊(4)、D/Ι并行輸入模塊(5)和D/Ο并行輸出模塊(6)均通過總線驅(qū)動模塊(2)掛接在ISA總線上；ISA總線的地址信號輸出端通過地址總線與主板CPLD(I)的地址信號輸入端相連；ISA總線的控制信號輸出端通過控制總線與主板CPLD(I)的控制信號輸入端相連； 主板CPLD (I)的片選信號輸出端分別與A/D并行輸入模塊(3)、D/A并行輸出模塊(4)、D/1并行輸入模塊(5)和D/Ο并行輸出模塊(6)的片選信號輸入端相連； 主板CPLD (I)的讀寫控制信號輸出端分別與A/D并行輸入模塊(3)、D/A并行輸出模塊(4)、D/I并行輸入模塊(5)和D/Ο并行輸出模塊(6)的讀寫控制信號輸入端相連； A/D并行輸入模塊(3)、D/A并行輸出模塊(4)、D/I并行輸入模塊(5)和D/Ο并行輸出模塊￠)的模塊類型反饋信號輸出端均與主板CPLD (I)的模塊類型反饋信號輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，主板CPLD(I)采用MAX7000S 系列的 EPM7128SLC84-10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，A/D并行輸入模塊(3)包括模擬多路開關(guān)(301)、A/D轉(zhuǎn)換芯片(302)和下位CPLD(303);模擬多路開關(guān)(301)接收四路模擬輸入信號，模擬多路開關(guān)(301)的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換芯片(302)的模擬信號輸入端相連，A/D轉(zhuǎn)換芯片(302)的數(shù)字信號輸出端與下位CPLD (303)的數(shù)號信號輸入端相連；下位CPLD(303)的選通控制信號輸出端與模擬多路開關(guān)(301)的選通控制信號輸入端相連；下位CPLD (303)的轉(zhuǎn)換控制指令輸出端與A/D轉(zhuǎn)換芯片(302)的轉(zhuǎn)換控制指令輸入端相連； 下位CPLD(303)的數(shù)據(jù)輸出端通過總線驅(qū)動模塊(2)與ISA總線的數(shù)據(jù)輸入端相連； 下位CPLD (303)的上位機(jī)指令輸入端與主板CPLD (I)的指令輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，模擬多路開關(guān)(301)采用ADG452單芯片CMOS器件；A/D轉(zhuǎn)換芯片(302)采用ADI公司的AD1674，CPLD303采用MAX7000S 系列的 EPM7128SLC84-10。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，D/A并行輸出模塊(4)包括信號調(diào)理電路(401)、D/A轉(zhuǎn)換芯片(402)和參考電壓電路(403);參考電壓電路(403)的參考電壓輸出端與D/A轉(zhuǎn)換芯片(402)的參考電壓輸入端相連；D/A轉(zhuǎn)換芯片(402)的上位機(jī)指令輸入端與主板CPLD (I)的指令輸出端相連；D/A轉(zhuǎn)換芯片(402)的模擬數(shù)據(jù)輸入端通過總線驅(qū)動模塊與ISA總線的數(shù)據(jù)輸出端相連； D/A轉(zhuǎn)換芯片(402)的數(shù)字信號輸出端與信號調(diào)理電路(401)的數(shù)字信號輸入端相連；信號調(diào)理電路(401)輸出四路模擬信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，D/A轉(zhuǎn)換芯片(402)采用ADI 公司的 AD5725。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，參考電壓電路(403)包括REF102AP電壓參考源和INA105KP運(yùn)算放大器；REF102AP電壓參考源的4腳同時連接INA105KP運(yùn)算放大器的I腳、3腳和4腳，并接地；REF102AP電壓參考源的6腳連接INA105KP運(yùn)算放大器的2腳，同時輸出+1V電壓參考源；INA105KP運(yùn)算放大器的5腳和6腳連接，并輸出-1OV電壓參考源。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，信號調(diào)理電路(401)采用LF347高阻型運(yùn)算放大器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，D/Ι并行輸入模塊(5)采用輸入鎖存器，D/Ο并行輸出模塊(6)米用輸出鎖存器；輸入鎖存器接收數(shù)字輸入信號，輸入鎖存器的輸出端與主板CPLD(I)的輸入端相連；主板CPLD(I)的輸出端與輸出鎖存器的輸入端相連；輸入鎖存器和輸出鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端通過總線驅(qū)動模塊⑵與ISA總線的數(shù)據(jù)輸入端相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述模塊式工業(yè)控制板卡，其特征在于，輸入鎖存器和輸出鎖存器均采用74573三態(tài)輸出的八個D鎖存器。
【文檔編號】G05B19/042GK104238404SQ201410418373
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】趙輝, 趙楠楠, 章國江 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)