（交通信息工程及控制专业论文）轨道交通实验控制系统的研究.pdf

中文摘要 摘要： 论文是基于轨道交通实验系统而展开的，该系统是现代高校教学迫切需要的 设备，该设备可以加深学生对理论知识的理解，提高学生实际操作的能力。 轨道交通实验系统主要由三个部分组成：显示终端、控制系统和仿真沙盘设 备。论文中对轨道交通实验系统的控制系统做了研究与设计，其中硬件方面包括 控制系统中输出部分的开关量功率输出板和功率输出板的测试电路的设计，高频 轨道电路板的设计与实现。同时提出了输入卡p c i 专用接口芯片的设计方案。软 件方面编写了功率输出板的测试程序，利用s o c k e t 实现了功率输出板测试程序与 站场界面的通信功能，并且设计高频轨道电路的仿真电路并对其进行仿真分析与 实际测试。 通过实际调试已经完成了控制系统的预期设计功能，在轨道交通实验系统中 得到了成功的应用。 关键词：轨道交通控制；高频轨道电路；开关量；p c i ；s o c k e t 分类号：u 2 8 3 1 a bs t r a c t a b s l r a c 。i 。： t l l i sp a p e ri sb a s e do nt h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n e x p e r i m e n ts y s t e m ，w h i c hi su r g e n tn e e d e db yc o l l e g ee d u c a t i o n 啦se q u i p m e n t c a l l d e e p e nt h ec o m p r e h e n s i o no ft h es t u d e n t s t h e o r yk n o w l e d g e a n di m p r o v et h e i rp r a c t i c e a b i l i t y t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mc o n s i s t sm a i n l yo ft h r e ep a r ta st h e d i s p l a yt e r m i n a l ，c o n t r o ls y s t e ma n ds i m u l a t i n gs a n dt a b l ee q u i p m e n t h e r et h ec o n t r o l s y s t e mo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mi ss t u d i e da n dd e s i g n e d ，i n c l u d i n g s q u a r ew a v ep o w e ro u t p u tb o a r do ft h ec o n t r o ls y s t e ma l o n g 、衍mt h et e s t i n gc i r c u i to f t h ep o w e ro u t p u tb o a r da n dt h eh i g hf r e q u e n c yc i r c u i td e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n m e a n w h i l e , ad e s i g np l a ni sp r o p o s e df o rt h ep c ii n t e r f a c ec i r c u i to ft h es i g n a li n p u t b o a r d 1 1 1 et e s t i n gp r o g r a mf o rt h ep o w e ro u t p u tb o a r di sc o m p o s e dw h i l et h e c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb d f w e e nt h et e s t i n gp r o g r a ma n dt h er a i l w a ys t a t i o n v i r t u a l i n t e r f a c ei sr e a l i z e du s i n gs o c k e tt e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o nc i r c u i to ft h eh i g h f r e q u e n c yc i r c u i ti sd e s i g n e d ，a n a l y z e da n dt a k e n t op r a c t i c a l l yt e s t e d t h ec 幻n t r o ls y s t e mn o wf u l l ym e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa f t e ri np l a c e d e b u g g i n ga n di ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di n t ot h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ne x p e r i m e n t s y s t e m k e yw o r d s ：r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nc o n t r o l ；h i g hf r e q u e n c yr a i l w a yc i r c u i t ；s w i t c h w a v es i g n a l ；p c i ；s o c k e t c i a s s n o ：i ，2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一虢翟、刭材新签碗 捌期：湖年月日 蝴期：砖弓月狮 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 一躲穆訇移：m 年) 月形日 致谢 本论文的工作是在我的导师戴胜华副教授的悉心指导下完成的，戴胜华副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来戴老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，韩鹏飞、马丽娜、翟登、张雅娟等同学对我 论文中的项目研究工作及撰写论文给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 最后，深深的感谢我的家人，谢谢他们对我无微不至的关怀，是他们给予了 我物质和精神上的支持和鼓励，让我能够全身心的投入研究生的学习、工作中。 希望母校北京交通大学明天会更好! i 绪论 1 1 课题的来源和研究背景 该项目是北京交通大学电子信息工程学院国家电工电子教学基地创新中心的 轨道交通实验系统，作者在项目当中承担控制系统的研究与设计工作。 轨道交通控制是我校的特色与强项，从大学生创新实验开始让学生在所建设 的平台上实现自己的设想，没有任何的安全问题，没有思维定式，利用所学的知 识完成创新的实验，加强独立的创新能力。 轨道交通实验系统是以工控机、单片机、嵌入式系统、s o p c 等为主要技术手 段，采用软件配合联锁硬件完成车站的列车和调车进路控制的实验系统。 轨道交通实验系统与我校的相关轨道交通控制的实验室有较大的区别，主要 是这个实验系统是为了满足大学生创新实验。所谓创新，就是这些实验可以没有 深厚信号专业知识，没有条条框框。只需要熟悉一些编程语言，了解基本的铁路 运营基础知识，就可以通过利用各种技术手段自己动手编写程序实现选路、列车 模拟运行控制等基本操作。该设备的价格也低，相对于高端的国家实验室本实验 系统主要是发挥大学生的想象能力和加深对轨道交通概念理解的作用。 1 2 轨道交通实验系统介绍 终端 交大站 红果园站 驼峰编 组站 图i i 轨道交通实验系统结构框图 f i g u r e1 1 f r a m eo i ls y s t e mo fr a i l w a yt r a f f i ce x p e r i m e n t 轨道交通实验系统的总体结构包括三个部分：终端( 显示) 部分，控制系统 部分和沙盘设备部分。这三个部分有机的组成了整个轨道交通实验系统。下面分 别介绍三个部分的具体功能： 第一，终端部分实际上就是每个站配备了一个显示器，在显示器上学生可以 通过编写软件来实现控制沙盘设备中的轨道上直流电源的极性，道岔的定位、反 位和信号机的状态，从而实现选择一条特定的道路，实现让仿真火车在选定的道 路上行驶。同时，在显示器上可以通过轨道交通实验系统站场图来观察具体的选 路信息，并且可以监控仿真火车的行驶路线和轨道区段的占用状态，及其信号机 和道岔的定、反位状态。 第二，控制系统是轨道交通实验系统中最为核心的部分，在该项目中设计了 3 2 路开关量功率输出卡，轨道电路板、并且提出了3 2 路开关量输入卡的设计方案。 在轨道交通实验系统的控制系统中起到了重要的作用n 1 。 整个控制系统由四个工业控制机组成，因为沙盘设备由三个车站构成，所以 三个工业控制机的功能相同，他们分别实现了三个车站区间所有设备信号的输入、 输出功能。输出部分由工业控制机控制3 2 路功率输出板来实现，输出的信号主要 驱动沙盘设备中的信号机，道岔转辙机，同时也控制了每个绝缘区段轨道下方的 轨道供电电路中继电器的开关状态，从而改变轨道绝缘区段的机车动力直流信号 的电源极性，控制火车的正、反向行驶。输入卡的功能由两部分组成：第一，直 接与道岔转辙机两侧的干簧管连接，当道岔转辙机处在定位、或者反位的状态时， 道岔两侧装有小磁铁，磁铁靠近干簧管时两个干簧管会分别导通，这个信号会直 接接入输入卡，这样就可以在车站的站场图中直接显示道岔的定、反位状态。第 二，通过高频轨道电路板检测每个轨道绝缘区段的车辆占用状态，将这个状态输 入到输入卡中，这时输入卡的信息就会在站场图中显示。另外一个工控机则装有 三块高频轨道电路板，为什么使用高频轨道电路板，会在后面的文章中详细介绍。 下面给出轨道交通实验系统中交大站的控制信号图： 控制系统 图1 2 控制系统控制流程框图 f i g u r e1 2 c o n t r o ls y s t e mc o n t r o lf l o wd i a g r a m 控制系统由安装在工控机上的六块输出板、两块输入板和一块高频轨道电路 2 板组成。道岔定、反位信号由仿真沙盘中道岔转辙机两端的干簧管直接引入输入 卡，从输入卡的检测信号可以判断道岔的定反位。高频轨道电路板是通过将高频 交流信号接入各个轨道绝缘区段的一端，当车辆经过此区段时，此区段的上下两 根轨道短路，交流信号从而回到高频轨道电路板中，这个交流信号在高频轨道电 路板中经过整流电路整流出直流信号，直流信号会作用于继电器线圈上，使继电 器的开关动作，继电器开关的状态接入输入卡，从而判断轨道绝缘区段的占用状 况。高频轨道电路板的设计细节将在后面章节中详细介绍。输出板的1 9 2 路( 每 块板3 2 路，共六块) 控制功能是驱动站内所有信号机、道岔转辙机，同时还驱动 轨道绝缘区段下方的轨道供电电路继电器从而控制轨道绝缘区段的直流极性，实 现火车的正、反向行驶。 第三，沙盘设备是轨道交通实验系统中最为直观的一个模型，长为5 米，宽3 米。它是一个微缩的铁路系统仿真模型，其中包括三个车站，交大站，红果园站 和驼峰编组车站。车站都完全仿真了实际铁路的设备，包括轨道绝缘区段，信号 机，道岔等设备。沙盘中还有仿真火车，信号楼和区间的绿化效果，绿化包括假 山，草坪，桥梁，河流等模型，外形十分美观。沙盘的下方安装有沙盘系统中的 轨道供电电路和沙盘上所有引线的端子，下图是实验系统交大站沙盘模型： 图1 3 交大站沙盘模型 一 f i g u r e1 3 j i a o d as t a t i o ns a n dt a b l em o d e l 上述三个部分就够成了完整的轨道交通实验系统。学生通过轨道交通实验系 统将理论与实际相结合，进行轨道交通模拟实验。 1 3 计算机总线技术 1 3 1 总线的基本概念 计算机总线( b u s ) 是计算机各部件之间进行信息传输的公共通道，在控制系统 中，工业控制机的主板都是通过总线的形式与输出板和输入板通信。总线形式将 计算机各个模块：c p u 模块、存储器模块、各种i o 模块互联在一起，有序的交 换信息，从而构成计算机整体。微型计算机系统中广泛采用总线结构，其优点是 系统成本低、形态灵活、维修方便。采用总线标准设计、生产的硬件模块兼容性 强，并通过系统总线可以方便地组合在一起，以构成满足不同需要的微机系统瞳1 。 计算机总线技术包括通道控制功能、使用方法、仲裁方法和传输方式等。任 何系统的研制和外围模块的开发，都必须服从一定的总线规范。总线的结构不同， 性能差别很大。计算机总线的主要职能是负责计算机各模块间的信息传输，因此， 对总线性能的衡量，也是围绕着这一职能而定义、测试和比较的。总线的传输率 是其性能的主要技术指标。另外，总线的可操作性、兼容性和性能价格比，也是 很重要的技术特征。 随着计算机技术的不断发展、微型计算机的体系结构发生了显著的变化。如 c p u 运行速度的提高，多处理器结构的出现，高速缓冲存储器的广泛采用等，都 要求有高速的总线来传输数据，从而出现了多总线结构。多总线结构是指c p u 与 存储器、i o 等设备之间有两种以上的总线，这样可以将慢速的设备和快速的设备 挂在不同的总线上、减少总线竞争现象，使系统的效率大大提高。 在多总线结构中，局部总线( l o c a lb u s ) 的发展最令人瞩目，局部总线是指来自 处理器的延伸线路，与处理器同步操作。外部设备如果直接挂到局部总线上，就 能以c p u 的速度运行。由于局部总线具有极高的数据传输率，因此在c p u 与高速 缓冲存储器( c a c h e ) ，c p u 与高速图形卡等需要高速传输信息的场合得到了广泛的 应用。 1 3 2i s a 总线介绍 开关量功率输出板是通过与工控机的i s a 总线连接，实现工控机对输出卡驱 动信号的控制。i s a ( 1 n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ，工业标准结构) 总线是上世纪八 十年代中期出现的工业现场控制总线。最早的p c 总线是m m 公司于1 9 8 1 年推出 的基于8 位机p c x t 总线，称为p c 总线。1 9 8 4 年，i b m 公司推出了1 6 位p c 机 p c a t ，其总线称为a t 总线。然而i b m 公司从未公布过他们的a t 总线规格。为 了能够合理地开发外插接口卡，由i n t e l 公司、i e e e 和e i s a 集团联合开发与m m p c a t 原装机总线，即i s a 总线。现在在工控机中i s a 总线还有很多的应用，例 4 如在微机联锁控制系统中，站场控制模型的道岔进路出路的信号机指示灯的输入 和道岔机的驱动就是通过工控机的i s a 总线经输出功率板输出，论文中详细的介 绍了该项目功率输出板的设计制作过程。 1 3 3p c i 总线介绍 控制系统中的输入卡是通过与工业控制机的p c i 总线连接，从而实现工业控 制机对输入卡的控制。p c i 总线的英文全称为：p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ， 既外设部件互连。p c i 总线虽然是由i n t e l 公司提出的。p c i 总线支持6 4 位数据传 送、多总线主控和线性突发方式( b u r s t ) ，其数据传输率为1 3 2 m b s 。这给其发展提 供了有利条件。总的来看p c i 总线之所以能发展，其动力之一是g u i ( g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e ) 的发展。良好的用户接e 1 界面的实现是以高性能的图形界面操作系统为基 础的，而图形界面操作系统往往需要大容量存储器，因而，刺激了r a m 芯片的生 产，更重要的是对总线的性能提出了更高的要求。另一推动p c 总线发展的原因是 它可以降低系统成本。用大量面向p c i 总线的处理芯片来构造系统机、工作站、 外围设备及板卡，其性能优越、处理能力强、传输速度快啪m p c i 局部总线最显著的特征是速度快。i s a 总线的传输速率为5 m b s ，e i s a 总 线的传输速率为3 3 m b s ，p c i i 0 标准定义的总线传输速率为1 3 2 m b s ，p c i 2 0 标准 定义的总线传输速率为2 6 4 m b s ，p c i 2 1 和p c i 2 2 标准定义的总线传输速率为 5 1 2 m b s 。但是该系统中采用的i s a 总线技术，因为系统的容量不大，对速度要求 不高，而且没有涉及到g u i 技术，并且i s a 技术实现起来相对于p c i 总线简单， 在论文中也涉及到了些p c i 专用接口芯片介绍和接口电路的设计，为以后高性能 的设计奠定了技术基础。 1 4 轨道交通实验系统的总体意义 高等教育要求理论和实际相结合，轨道交通实验系统研制开发，将是学校按 企业要求培养人才，提高学生能力的必要途径： 第一、轨道交通实验系统切实加强了学校的自身教育资源建设。满足高校培 养高素质的毕业生的要求，提高学生的创新能力，使高等院校作为社会高素质人 才输出地的作用更加突出。 第二、轨道交通实验系统不仅具有教学和实际操作的功能，还具有科学普及 和社会教育的功能，整个系统布局美观、设备逼真，是展示高校教学实验系统新 作品。 5 j 匕立銮通太堂亟堂焦 i 佥塞 绪i 金 综上所述，轨道交通实验系统的开发使用，将对高校教育理论与实际结合， 提高学生动手创新能力，发挥想象空间，起到重要的作用。 1 5 论文的主要内容结构 第l 章：首先介绍了该实验系统项目的来源和背景，然后对轨道交通实验系 统进行了介绍，阐述该实验系统的意义。 第2 章：先介绍了功率输出板的总体原理框图及工作原理，然后详解介绍了 功率输出板各个模块的原理设计方案及芯片选型，接着提出了p c i 接口的输入卡 的设计方案。 第3 章：对p c b 设计过程内容进行了详细的叙述，包括设计过程中的经验总 结，前期准备工作。硬件的测试部分详细叙述的测试的步骤，及其测试时遇到的 问题和解决办法。 第4 章：首先进行轨道电路板的原理图设计，然后介绍轨道电路板的p c b 设 计，最后介绍了沙盘轨道供电电路的设计方案。 第5 章：对该系统的高频轨道电路板进行了详细的原理分析，提出了高频轨 道电路的创新设计方案，并且通过仿真对设计的高频轨道电路工作原理进行了仿 真和实际测试数据分析。 第6 章：系统软件设计部分，首先对输出板驱动程序模型进行了分析，提出 了驱动程序设计思想和原则。接着对测试程序软件设计进行了详细的叙述，同时 实现了服务器与客户端之间通信。 第7 章：总结论文工作，提出展望。 6 2 开关量功率输出板原理设计 图2 1 输出板电路总体框图 f i g u r e2 1o u t p u tb o a r dc i r c u i t r yc o l l e c t i v i t yd i a g r a m 上图是功率输出板的总体原理框图，该系统设计的是一种采用光电隔离技术 的3 2 路开关量功率输出板，可以提供电平输出，也可以提供功率输出，其每一路 输出的最大功率2 4 v 2 0 0 m a ，可以直接驱动继电器、电磁阀、发光二极管等设备， 各路输出信号均具有锁存功能。c p u 能通过o u t 指令可将数据转换为电信号输出： 工作原理如下： 8 路地址开关通过选择确定地址信号，然后通过与i s a 总线8 位连接到比较电 路地址线进行比较，如果相等的时候，比较器的输出会连接到缓冲电路和译码电 路的使能端，为它们提供使能信号来选通芯片，这时对应p c 机或者工控机存储器 的地址的8 位数据会通过i s a 接口的8 位数据线输出，首先经过数据缓冲电路， 对数据进行缓冲，然后再根据译码电路选通四路锁存芯片中哪路的锁存电路， 选通后，再将数据送到对应的锁存电路中，经过锁存后的数字信号可能存在干扰 7 信号，这时经过光耦隔离电路，光耦隔离电路对输入和数据有良好的隔离作用， 隔离干扰信号后通过驱动电路连接到d b 3 7 标准接口的四路3 2 位中的一路数字信 号中。达林顿管具有提高驱动能力的作用，外接+ 1 2 v ，电流可达2 0 0 m a 。直接驱 动继电器，输出为共电源方式。 2 1 功率输出板地址定义 2 1 1 地址选择 由八位拨码开关s w l 来选择，本次设计端口地址默认为1 2 0 h ，a 9 a 2 参与 译码对应八段拨码开关关系是： 表2 1 八位拨码开关关系 t a b l e 2 1t h er e l a t i o no f o c t e t t o g g l es w i t c h a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a 9 l 2345678 拨向“o n ，对应地址位为“0 ”；拨向“o f f ，对应地址位为“1 ，初始地 址为1 2 0 h 1 2 3 h 表2 2 初始地址 t a b l e2 2i n i t i a la d d r e s s 123 4 5678 o no no no f fo no no f fo n 2 1 2i o 端口定义 此板的i o4 个端口地址操作均为写操作，每个端口地址输出8 路开关量信号。 i o 端口地址说明如下表，b a s e 表示基地址： 表2 3i o 端口地址说明 t a b l e 2 3 e x p l a i nf ot o r ta d d r e s s 端口地址 操作功能 b a s e + 0 0写d 0 1 8 路 b a s e + 0 1写d 0 9 1 6 路 b a s e + 0 2 写d 0 1 7 2 4 路 b a s e + 0 3 写d 0 2 5 3 2 路 8 2 2 功率输出板模块电路设计 2 2 1 信号端驱动电路 输出端驱动模块由5 个u l n 2 0 0 4 a 芯片构成，u l n 2 0 0 4 是一个高电压、高电 流的达林顿晶体管阵列： 5 0 0 m a 额定控制电流( 单端输出) 高电压输出5 0 v 含有输出夹位二极管 带有多逻辑类型的兼容输入 继电器驱动应用 这个u l n 2 0 0 4 a 是一个高电压，高电流达林顿晶体管阵列。每个芯片由七个达 林顿晶体管组成，这个晶体管的特点是带有共阴极的可整流的夹位二极管。一个 单达林顿集电极的输出电流可达到5 0 0 m a 。达林顿管能够承受高负载电流。它的 应用范围包括继电器的驱动，照明灯的驱动，l e d 的驱动，直线电机的驱动等， 这个u l n 2 0 0 4 a 和u l q 2 0 0 4 连接一个3 3 k o 下拉电阻后就可以立即连接到使 用电压是6 v - 2 5 v 的c m o s 设备上。这个u l n 2 0 0 4 a 的输入电流小于u l q 2 0 0 4 a ， 而它的输入电压小于u l q 2 0 0 2 a ，所以本系统选用u l n 2 0 0 4 a 作为提高输入驱动 电压的模块瞄1 a g n d r p 9t u 2 2 c o u t l c o i 胞 c o i m c o u t 4 c o i 】t 5 c o u r 6 r e s p a c k c o u r 7 c o u i b + 2 4 v 2 5 uj f 图2 2 信号输出端驱动电路 f i g u r e2 2 s i g n a lf a n - o u td r i v ec i r c u i t u l n 2 0 0 4 a 的1 0 1 6 引脚连接到数字i s a 开关量接口板的输出端，输出数字 信号是高电平有效，在芯片的8 引脚和9 引脚间连接一个2 2 u f 的滤波电解电容， 9 j e 塞銮逼太堂亟堂僮i 佥塞一一珏差量功奎箍出题厦堡遮让 此电解电容的作用是滤掉d b 3 7 端的1 2 v 电源的低频噪声，一般电路的电源与模 拟地之间都要连接这个滤波电容，在u l n 2 0 0 4 a 的1 8 引脚连接一个3 3 k 的下拉 电阻，这个电阻的作用是提高端口的驱动能力，为下一级电路提供一个大的输入 电压和输入功率，从而保证系统的正常工作。这是系统设计的一个重要内容，保 证了高功率的输出。 2 2 2 接口电路 现在的工控机设备多采用d b 3 7 的标准输出接口，所以此i s a 接口板的输出 端采用通用的d b 3 7 接口设备，接口1 3 2 可输出标准的高电平数字信号。3 7 脚连 接外部设备的+ 1 2 v 电源端，1 9 引脚连接+ 5 v 电源端，其他三个引脚在设备中为连 接模拟地端。 3 2 3 信号隔离电路 图2 3d b 3 7 接口电路 f i g u r e2 3d b 3 7i n t e r f a c ec i r c u i t 系统信号由3 2 路开关量组成，所以系统隔离模块选用8 个t l p 5 2 1 - 4 芯片组 成，t l p 5 2 1 - 4 是t o s h i b a 公司出产的系列芯片之一。t l p 5 2 1 - 4 芯片内的基本单 元是光耦合器，光耦合器具有良好的对输入输出隔离的作用，它由光的发射，光 的接收，及信号的放大部分构成。因为芯片的输入端的数字信号可能夹杂着部分 模拟信号，所以这个芯片可以实现良好的模拟信号隔离作用，可使得输出端为单 i o 一的数字信号，t l p 5 2 1 - 4 由四个独立的通道组成，封装形式是d i p l 6 。芯片具有 以下特点1 ： 集电极发射级电压：5 5 v ( r a i n ) 电流传输率：5 0 ( m i n ) 等级g b：1 0 0 ( r a i n ) 隔离电压 ：2 5 0 0 v r m s ( m i n ) 芯片在电路中的应用原理图如下所示： c o u t l9 4 c o4 c 8 c 0 1 1o t a 月 7 r p l c o u 砣1 1 ，乙u 、j l l02 1 2 5 r p 2 c o u t 313 3 日3 a 1 4 2 c o2 c 4 c 0 3 1 协f ，a 3 r p 3 c o u t 4l5 2 ，p m _ a v i 手会： 2 c 0 4 1 6 1 m j ： ，1rp41 l d y ll 一， 一一j 田噜5 2 l - 4 + 5 v 图2 4 信号隔离电路 f i g u r e2 4s i g n a li s o l a t ec i r c u i t 芯片的l o 、1 2 、1 4 、1 6 引脚内部是三极管的发射极，此引脚连接+ 5 v 电源， 9 、1 1 、1 3 、1 5 引脚是芯片的输入端，此端信号可能包含模拟干扰信号，为了排除 干扰信号，采用光耦合隔离，这样就可以很好的隔离模拟干扰信号，芯片的2 、4 、 6 、8 引脚是连接了发光二极管的正极，正极需要连接上拉电阻，以提高端口的电 位，上拉电阻l o k 的8 路阻排构成，方便连接。而最终的输出端则连接到下一级 的数字信号锁存芯片上，这些信号就是单纯的数字信号。 2 2 4 输出锁存电路 系统设计的输出锁存模块选用7 4 h c 3 7 3 芯片，这个7 4 h c 3 7 3 芯片是一个由高 速的c m o s 门电路组成的并且引脚端兼容t t l 电平口1 。符合j e d e c 协会的详细标 准。这个7 4 h c 3 7 3 是一个数字量输入，三态输出的数字锁存芯片，通用的总线应 _ _ 一 用类型。每一路锁存使能信号都由( l e ) 和( o e ) 信号来共同决定。这样8 路的 信号就可以实现同时的输出锁存。因为系统是3 2 路的数字量输出，所以模块采用 4 个7 4 h c 3 7 3 芯片。 这芯片具有很优越的特性，包括： 三态的非转化的总线导向应用输出 公共的三态输出和公共的使能输入 输出端使能由总线提供 i c c 种类：m s i 芯片在系统中应用的原理图如下所示： c 6 殳 西 呷0 o- 一 岬 n i iu i8 8 88囊 li | 。 u酱吕u u吕 吕ov 、 ：0 1 u n2 卜 n寸n n 。_ - 一hr _h- 一 r h_ _ _ udq qd dq qdo po o 卜卜岣i n 价【工】 ，h d 7 4 l s 3 7 3 p 1 8g 兮食g 导景拿旱吝 岔。l v 、 o 寸l 卜 苫u i - i - 1 l h 基蚕 叩 | 惰 i 吕 吕 图2 5 输出锁存电路 f i g u r e2 5o u t p u tl a t c hc i r c u i t v c c 端与g n d 端连接一个o 1 u 的去耦电容，去耦电容的做用是滤除电源端 的高频干扰信号。o c 和g n d 端连接到数字地。d 6 信号由i s a 数据总线提供， 经过7 4 h c 3 7 3 锁存后，输出端是c q 信号，这个信号再连接到光耦合模块。e g 使 能信号由7 4 l s l 3 8 译码器产生。由于系统3 2 路数字信号，所以一个芯片连接8 路 数字信号，共3 2 路，可良好的完成系统设计的功能。 2 2 5 地址比较电路 功率输出板实现地址开关选择i s a 系统总线哪个地址所对应的存储空间的数 据输出，所以系统输出卡中需要一个地址的比较模块来实现这个功能。系统选择 m o t o 公司的s n 7 4 l s 6 8 8 芯片，此芯片是一个8 位数量级的比较器。这个芯片设 计的初衷是为了完成两个八位二进制或者b c d 码的比较。对于s n 7 4 l s 6 8 8 芯片 当两路的数据相等的时候( p = g ) 输出端输出低电平，这个系列的其他芯片还可以 1 2 实现数据大小的比较。芯片工作电压为5 v 。在实际系统中的原理图如下所示： 8 昌子8 8 吝子& 图2 6 地址比较电路 f i g u r e2 6a d d r e s sc o m p a r ec i r c u i t s n 7 4 l s 6 8 8 芯片的v c c 端连接+ 5 v 电源，由i s a 总线提供嘲。p 0 p 8 连接到 i s a 的地址总线端，q o q 7 连接到右侧的地址选择开关上，开关上接1 k 的上拉电 阻，开关模块下统一接数字地信号。这样，使得当开关开的时候q 0 q 7 是高电平， 当开关闭合的时候q o q 7 是低电平，芯片实现了p 端与q 端的地址信号的比较， 当二者相等的时候，1 9 引脚就输出低电平，此信号连接到系统7 4 l s l 3 8 及7 4 l s 2 4 0 芯片的使能端，通过使能信号使其他芯片同步工作，在系统中这个芯片具有重要 的作用，地址相等的时候就通过i s a 的数据总线发送相应的地址的8 位二进制数 据。 2 2 6 地址译码电路 地址译码电路选用通用的h d 7 4 l s l 3 8 ，3 8 译码器，三路地址信号，译码成 八路信号，输出端是低点平，通用的d i p l 6 封装形式，具有地址译码后的锁存功 能。下面是芯片在电路中的连接方式： 1 3 v c c j v c c 图2 7 地址译码电路 f i g u r e2 7 a d d r e s sd e c o d e rc i r c u i t 7 4 l s l 3 8 由1 6 个引脚组成，在系统电路中，v c c 和g 1 端连接到由i s a 总线 提供的+ 5 v 电源中，并且v c c 与g n d 端接了一个o 1 u 的去藕电容，作用是滤除 电源端的高频信号干扰。y o - y o 分别通过一个反向器( 图2 8 ) 连接到4 个7 4 l s 3 7 3 的使能端，作为其片选信号。因为y o - y o 是低电平信号，而使能端是高电平有效。 a 、b 两个引脚连接到i s a 总线的a 1 、a 2 端上，有i s a 地址总线提供译码地址， g 2 a 连接到s n 7 4 l s 6 8 8 的输出端( p = g ) ，作为芯片的使能信号，g 2 b 连接到i s a 系统信号线i r q l 5 ，这样由i s a 的地址信号线决定了，选通4 路的7 4 l s 3 7 3 芯片 的任何一个，并最终决定的8 路的数字信号从d b 3 7 的哪个端口输出。 = 、8 【垒 5 yl0 ll 6 y1 2 13 1 4 二l v c c = = u 5t 【4 y g n d zi o 一 4 a 4 a3 yl 心 l o 导、 5 y 3 a 彳 2y5a2 y i c l - 芸一 6 y 玲ai 1y6a1y o 寺一 。v c ci a - j 脚4 l s 0 4 p c 5 图2 8 反向器电路 f i g u r e2 8 r e v e r s ec i r c u i t 1 4 2 2 7 输出板数据缓冲电路 功率输出板的数据是由p c 机或者工控机的i s a 口的数据总线输出，但是实际 的数据输出需要有8 位接收数据缓存器，这个缓存器选用的是d m 7 4 l s 2 4 0 三态8 位的缓存驱动接收器。这个芯片可以改善p c 机与目标板的三态缓冲驱动能力，同 时也可以改善存储器与时钟信号之间的驱动性能。它具有4 0 0 m v 的p n p 线性输入， 它可以减少输入噪声。 芯片具有如下特点： 三态输出总线驱动 p n p 输入端口减少了d c 在总线上的负载 输入具有滞后效应，改善了旁路噪声 典型的传输延迟效应 v c c 墨 器苫墨 o 骨i 于l f l f l n 8 寓；薹笋瓮笋翟荽乏 hn_n_nhn h 至萋- _ 一hnhn v 寸寸l n 工1 n l i l 一 器。墨吕吕 了f 图2 9 输出卡数据缓冲电路 f i g u r e2 9o u t p u tc a r dd a t as n u b b e 疆 c i r c u i t 芯片v c c 连接i s a 总线提供的+ 5 v 电源，电源端与数字地端并接0 1 u 去藕 电容，用于滤除电源端的高频噪声。输入端a 连接到i s a 的数据总线d o d 8 中， 输出端并接到4 路的7 4 l s 3 7 3 锁存芯片，使能端g 由比较电路输出端的低电平信 号共同使能。当地址选择开关的地址与i s a 系统地址总线地址相等的时候，地址 所对应的存储空间的数据将会通过这个缓冲芯片输出，再连接到锁存芯片的输入 端。 2 2 8i s a 接口电路 1 5 i s a 接口电路采用标准的8 位i s a 扩展i o 插槽由6 2 个引脚组成，用于8 位 的插卡，在系统实际的封装中去掉了没有用到的引脚，实际用i s a 引脚共使用2 5 个。8 1 6 位的扩展插槽除了具有一个8 位6 2 线的连接器外，还有一个附加的3 6 线连接器，i s a 接口电路原理图如下所示，它可以支持8 位和1 6 位的插卡，i s a 总线的性能如下：i o 地址空间0 1 0 0 h 0 3 f f h ，2 4 位地址线可直接寻址的内存容 量1 6 m b ，8 1 6 位数据线，6 2 + 3 6 引脚，最大位宽1 6 位，最高时钟频率8 m h z ， 最大稳态传输率1 6 m b p s ，中断功能，d m a 通道，并且是开放式总线结构，允许多 个c p u 共享系统资源【9 】。 图2 1 0i s a 接口电路 f i g u r e2 1 0 i s ai n t e r f a c ec i r c u i t i s a 电路的1 、2 引脚连接译码器的地址输入端，3 1 0 引脚连接比较电路的一 路8 进制输入端，v c c 连接i s a 总线的数字电源端，在v c c 与地之间连接一个 电解电容，作用是滤波功能，滤除电源端的低频干扰信号。2 3 3 0 引脚是i s a 的8 路数据线，p c 机或者工控机通过数据线发送存储器地址的数据。打红叉的表示电 路中未用到的引脚。 2 2 9 功率输出板原理图 下图是功率输出板原理图的总体构局，可以清楚的看到原理图各个模块电路 的连线走向及其布局： 1 6 鐾妒豇l l “t 竹珏k 女t s i g * i l t 缸_ d hml ”小豇“一# d ， 。 陆瞎口jp p 凰耵矿f 、：冀+ - 斟芎v 脚l ：竹n2 “i d l e8 t o k “b ，r m m m a n d 图2 1 1 总体原理图 2 2 1 0e r c 检查 电路原理设计完成后，需要检查电路是否有错误，p r o t e l 9 9 提供了一种整 套电路设计工具，为了保证电路的正确性，提供了e r c ( e l e c t r i c a lr u l ec h e c k e r ) 工具n 1 | ，它可以根据设计要求检查电路是否有错误，下图是系统e r c 检查结果， 其中包括网络标号的连接，连线是否有交叉和节点的连接问题，封装是否和p c b 封装库相对应等问题，经检查后电路电气连接没有错误。结果如下： 1 7 登渺b 1 埘t 豇竹如d t l 丑：l - 吐t i 柑i t 4 0 坩h d ， 8 x b 日壹铲一日“p ；i 茹ii 二茹i 蠢r 汪面i 添i i 蕊| 黼菇西磊i 氤西蠢蓊赫譬证r 一一 f h 疆r 再罱强罱嚣鼍菇茹蔷落菌_ 蟊万曩= 葡i r 百n r 7 r 一i ： ”砼3 甘 “i d l e n , e a d y h rc o m m a n d 图2 1 2e r c f i g u r e2 1 2 e r c 2 3 测试d o 板设计 2 3 1 原理和电路设计 竺乒 输出卡 公共端+ 2 4 v 卜生一 下面是测试电路的原理图，图2 1 4 是接口l e d 电路，f c - 4 0 p 接口压线连接 到输出卡的接口处，这样当开关量输出卡有信号输出时，所对应的路l e d 就会被 点亮。图2 1 5 是测试电路的电源部分，功率输出卡外接1 2 v 和5 v 的驱动电源， 所以在测试电路部分提供了1 2 v 的直流电源，通过7 8 0 5 稳压电源处理后可以得到 5 v 的直流电，这样就提供了功率输出卡的电源，在电源处连接了l e d 这样方便检 测电源是否连接好。 图2 1 4 功率输出测试板原理图 f i g u r e2 1 4 p o w e ro u t p u tt e s tb o a r dd i a g r a m 下图是测试电路板电源电路，1 2 v 电源由外部提供： + l2 v g n d 图2 1 5 功率输出板测试板电源电路 f i g u r e2 1 5 p o w e ro u t p u tt e s tb o a r dp o w e r s u p p l yc i r c u i t 1 9 j 壁塞銮遭太堂亟堂僮论室珏羞量功室箍出题厘堡这让 2 3 2t t l 电平输出的接法 功率输出板也可完成5 vt r l 电平的输出，实现方法如下： 将功率驱动芯片2 0 0 4 卸下，用短路线将其插座上的输入输出端短接，光隔离 输出的信号直接送到x s l 输出，这种方式+ 1 2 v 不需要接入。，丌l 电平输出2 0 0 4 接线方式如下： 6 7 8 图2 1 6u l n 2 0 0 4 接线方式 f i g u r e2 1 6 u l n 2 0 0 4c o n n e c t i o nm o d e 2 4p c i 总线输入卡原理设计 p c i 总线是适应微机技术发展和市场需要的产物，具有高性能，低成本，兼容 性好等诸多优点。为了提高传输，p c i 总线信号传输通过反射波方式实现，时钟通 常是3 3 m h z ，最高可达6 6m h z ，数据宽度可以是3 2 位和6 4 位。峰值数据传输率 在3 3 m i - i z 时钟，3 2 位数据宽度时为1 2 8 m b s ；在6 6m i - i 时钟，6 4 位数据宽度 时最高可达5 2 8m b s 。对于广大p c i 总线开发的用户而言，p c i 总线接口设计已 经是一项过重的任务。为此一些a s i c 公司提供专门的p c i 总线接口芯片，如国产 的南京沁恒电子c h 3 6 5 、c h 3 6 1 、c h 3 4 3 专用接口芯片，a m c c 的$ 5 9 3 3 、$ 5 9 2 0 ， p l x 的p c i 9 0 5 4 、p c i 9 6 5 6 等，是用户可以专注于应用设计，大大降低了p