在工業(yè)控制領(lǐng)域，數(shù)字I/O以其簡(jiǎn)單、靈活的特性，得到了廣泛的應(yīng)用。以往對(duì)于數(shù)字I/O的應(yīng)用和數(shù)量增加的方法通常用GAL和專用I/O芯片采用譯碼擴(kuò)展等方式來實(shí)現(xiàn)，這種方式盡管能夠滿足一定程度上的要求，但對(duì)于更大數(shù)量的I/O應(yīng)用，比如幾十甚至上百路的數(shù)字I/O，就勉為其難了。為了滿足這種要求，并且進(jìn)一步提高數(shù)字I/O的使用效率，專門針對(duì)多路數(shù)字I/O進(jìn)行了基于STD總線的設(shè)計(jì)，應(yīng)用Xilinx公司的CPLD進(jìn)行編程開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了64位數(shù)字輸入DIN 0～DIN 31和64位數(shù)字輸出DOUT O～DOUT 31，同時(shí)每一路I/O可以獨(dú)立編程，既可以作為輸入又可以作為輸出。

1 STD總線

目前，STD標(biāo)準(zhǔn)總線已成為工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的標(biāo)準(zhǔn)總線之一，主要用于8位微處理機(jī)和單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)。STD總線的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，上位機(jī)、主控模塊等往往需要通過STD總線，根據(jù)STD總線的協(xié)議、特性訪問其他的單片機(jī)系統(tǒng)。例如，在某測(cè)量設(shè)備中，上位機(jī)、主控模塊可以通過總線上的I/O模塊、A/D模塊接口，采集傳感器的量值，通過STD總線訪問RAM模塊，以及通過STD總線進(jìn)行主控模塊與總線上其他控制器之間，主控模塊與上位機(jī)之間的通信與數(shù)據(jù)交換等，構(gòu)成了一個(gè)微型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。本文的多路數(shù)字I/O就是STD總線中的一個(gè)模塊。

2 多路數(shù)字I/O的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路組成

主要由可編程邏輯電路、電平調(diào)理電路、總線接口電路以及電源電路等組成。可編程邏輯硬件采用Xilinx公司的CPLD器件XC95288，應(yīng)用。Xilinx公司的Project Navigator(ISE)集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程開發(fā);電平調(diào)理電路采用74LS245，具有輸入輸出電平轉(zhuǎn)換的功能，還可以通過接繼電器或者光電隔離器與外設(shè)接口;總線接口電路采用74LS245，對(duì)74LS245的DIR(方向)進(jìn)行讀寫編程，實(shí)現(xiàn)了與STD總線的數(shù)據(jù)通信，電源電路為CPLD以及電平轉(zhuǎn)換電路等提供必需的電源系統(tǒng)。

硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，虛線框內(nèi)為多路數(shù)字I/O的硬件電路部分。

2.2 性能特點(diǎn)

數(shù)量多 CPLD芯片XC95288具有208個(gè)管腳，其中用戶I/O管腳數(shù)量達(dá)到168個(gè)，除了地址總線、數(shù)據(jù)總線以及片選信號(hào)等所占用40個(gè)I/O之外，其余的128個(gè)I/0完全可以作為通用I/0編程使用;

面積小 如此眾多數(shù)量的I/O，完全由一片CPLD來實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)程序，減少了PCB的設(shè)計(jì)面積，又提高了數(shù)字I/O的穩(wěn)定性;

靈活性高 由于每一個(gè)I/O都可獨(dú)立編程，因此在使用過程中變得非常靈活，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求隨時(shí)改變其輸入、輸出，在工業(yè)控制應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楫a(chǎn)品的增強(qiáng)與升級(jí)提供了極大的靈活性。

此外，該設(shè)計(jì)還具有傳輸速度高(由CPLD的傳輸特性決定)及電平兼容性好等特點(diǎn)，可滿足用戶在測(cè)試、控制及設(shè)計(jì)應(yīng)用中的多種需求。

3 多路數(shù)字I/O的程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用業(yè)界領(lǐng)先的FPGA設(shè)計(jì)環(huán)境XilinxISE，其將先進(jìn)的技術(shù)與靈活性、易使用性的圖形界面結(jié)合在一起，可以在最短的時(shí)間，獲得最佳的硬件設(shè)計(jì)。XC95288 CPLD是低功耗3.3 V器件，288個(gè)宏單元，*00個(gè)可用邏輯門，168個(gè)用戶I/O，再加上靈活、高度優(yōu)化的VHDL硬件描述語言，實(shí)現(xiàn)了128位數(shù)字I/O的程序化設(shè)計(jì)。

3.1 部分程序代碼

部分程序代碼如下：

其中：addr是10位地址總線;bd是8位數(shù)據(jù)總線;en_245和dir_245分別是STD總線接口芯片74LS245的片選使能與方向信號(hào);tempx是片內(nèi)寄存器;io_inx和outx分別是8位輸入、8位輸出I/O口。

3.2 性能描述

多路數(shù)字I/O口的選擇由10位地址決定，不同的地址操作不同的。I/O端口，在I/O非動(dòng)態(tài)情況下，數(shù)據(jù)總線處于高阻狀態(tài)，避免了總線沖突，同時(shí)也提高了I/O端口的穩(wěn)定性，減少了高速數(shù)據(jù)傳輸條件下引起不必要的錯(cuò)誤，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)I/O輸入、輸出的需要，可以修改程序，靈活改變端口的功能，另外，對(duì)于輸出端口，加入了數(shù)據(jù)寫出后讀回的功能，使得上位機(jī)能夠隨時(shí)驗(yàn)證寫出數(shù)據(jù)的正確性，對(duì)于外設(shè)信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理板實(shí)現(xiàn)電平匹配，進(jìn)一步增加了本設(shè)計(jì)的功能可靠性。

4 結(jié)語

以CPLD器件為核心，選用Xilinx公司的ISE作為硬件開發(fā)平臺(tái)，并采用VHDL編程語言，充分應(yīng)用了可編程邏輯器件的特點(diǎn)，發(fā)揮了 VHDL硬件描述語言的編程優(yōu)點(diǎn)。減少了芯片數(shù)量，既做到了系統(tǒng)小型化又降低了成本。程序已通過綜合實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用了STD總線的通訊特點(diǎn)，與總線上的其他板卡、設(shè)備通訊也極為方便，既解決了工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的一般問題，又達(dá)到了工業(yè)通用I/O的較高要求?？傊?，該多路數(shù)字I/O設(shè)計(jì)容量高、功耗低、速度快，不僅具有通用性、實(shí)用性，而且具有靈活性和移植性，便于調(diào)試，為高速I/O開發(fā)設(shè)計(jì)提供了一種很好的嘗試，相信在很多行業(yè)都會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。