功率逻辑器件在嵌入式系统中的应用

摘  要： 本文简要介绍了嵌入式可编程控制器及其I/O模块，结合功率逻辑器件TPIC6B273的特点，对传统的输出模块进行了改进，实验证明其简捷有效。
嵌入式可编程控制器及其I/O模块
为较合理地解决目前可编程逻辑控制器自身的软硬件分配，以及与上位机通信协调工作中存在的问题，结合外挂式和虚拟式的优点，本文基于ISA总线技术自行开发设计了一种插卡嵌入式可编程控制器。从计算机技术概念看，该嵌入式可编程逻辑控制器是一种工业控制计算机，控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作于工业生产现场。它的CPU采用AT89C52，实质是一种智能化I/O接口卡，与工业生产过程的联系就是通过输入输出(I/O)模块实现的。I/O接口模块包括输入隔离、输入选择器、输出锁存器、驱动电路，以及输入/输出显示电路，它的任务是将被控对象或被控生产过程的各种变量进行采集送入CPU处理，同时控制器又通过I/O模块将运算处理产生的输出信息送到被控设备或生产现场，驱动各种执行机构动作，实现实时控制。
I/O能力即输入输出点数的总数量决定了可编程控制器的类型，本系统主要针对开关量控制设计，结合实际生产过程中输入开关量往往大于输出量的情况，输入输出点数为64：32。
由于生产现场通常暴露于空间，为了保证信号准确无误的传送，要求可编程控制器的I/O模块具有很强的抗干扰能力。所以输入模块如图1所示，由三片可编程并行I/O接口芯片8255和光电隔离部分组成，输入信号经过光电耦合器TLP521-4隔离后，送入8255的A、B、C口。8255控制字初始化为#9BH，工作在模式0(基本输入/输出方式)。
对于开关量输出模块，为了适应工业过程中各种执行机构的电平要求和输出功率的要求，借助于输出指令将开关量的状态置于输出缓冲锁存器，再经驱动放大后送到现场，控制被控过程的继电器、接触器、电磁阀等。通常输出模块的解决方法有：一是采用一定功能的数字逻辑器件加上由分立元件组合成的功率驱动电路来实现，如缓冲锁存器74LS273和74LS274等，提供相应的逻辑电平(“0”或“1”)，加上由晶体管、二极管和电阻等组成功率驱动电路提供负载所需的功率；另一种方法是用一片集成化的功率驱动芯片来代替第一种方法中由分立元件组成的驱动电路，如74LS274+ULN2803或ULN2003，此种方法在一定程度上简化了电路的设计，这种芯片仅有商业级提供，个别芯片只有7个功率驱动门，而有时往往需要8个门。这就需要2片芯片来实现，造成一定冗余。
对于嵌入式可编程控制器，其系统规模和电路印刷板面积和体积受到微机自身空间条件的限制，同时还得满足输入输出点数的需要，这就要求在设计中必须尽可能地减小某一模块的面积及体积，以适应系统要求。


表1  TPIC6B273DN功能表

图1  隔离方式开关量输入模块示意图

图2  TPIC6B273逻辑示意图

图3  输出模块部分电路

图4  TPIC6B273工作电压波形

功率逻辑器件TPIC6B273
德州仪器(TI)公司新近推出的功率逻辑器件有三种类型8种型号，分别是8位移位寄存器(TPIC6595/6A595/6B595)、8位寻址锁存器(TPIC6259/6A259/6B259)和8位D型锁存器(TPIC6273/6B273)。此类芯片允许的工作温度范围为-40℃~+125℃，几乎满足大多数的应用环境要求，而且芯片本身的静态功耗却很低(Icc<150mA)。每一个功率门提供的峰值电流最大达1.5A,其中A系列驱动电流为1.1A，B系列驱动电流为0.5A。
其中TPIC6B273DN是一种单片、高电压、中等电流的功率逻辑8位D型锁存器，具有8个正边沿触发的D型触发器，有一个直接清零端，每个触发器都是漏极开路功率DMOS晶体管输出，能提供150mA连续电流，专为用于需要相对高的负载功率的系统设计，其逻辑示意图见图2。它包括一个内建的输出电压箝位电路以防感性负载的瞬变电压；功率驱动器可用来驱动包括继电器、螺形线圈以及其它中等电流或高电压的负载。
TPIC6B273DN逻辑功能见表1，当清零端(CLK)为高时，D输入端的信息满足设置时间的要求后，在时钟(CLK)脉冲的正边沿该信息被传送到DRAIN输出端。时钟触发发生在特定的电平而与正向脉冲的跃变时间并无直接的关系。当CLK时钟输入端不管是高或低电平时，D输入端的信号对输出端没有影响。一个异步的端用来关闭所有8个DMOS晶体管的输出。对一个给定的输出端，当数据为低时，对应的DMOS晶体管的输出被关断。当数据为高时，相应DMOS晶体管的输出端具有吸入电流的能力。
由于该器件将锁存器和驱动器做在单一芯片里，可以直接代替前两种方法中的全部电路，且满足了输出模块的要求，可以先将信号锁存，而后在输出刷新时，驱动负载；并能够提供150mA的连续电流来驱动较大范围的负载。基于以上特点，选用TPIC6B273DN来改进传统输出模块的设计方法，并且选用继电器输出作为负载。
如图3本卡在使用过程中将该芯片的接为高电平，CLK上升沿信号由译码信号和写信号经或非门74LS02产生。只有两信号同为低有效时，CLK正边沿将锁存数据送到DRAIN端，其工作波形见图4。

结论
采用功率逻辑器件TPIC6B273DN代替输出模块由输出锁存器、功率放大驱动电路和光电隔离等组成的传统设计方法。首先在硬件设计上减少了元器大简化，一改传统模块的缺陷，并且设计扩展灵活，系统可靠性得以提高。件数量，输出模块的印刷电路板面积缩小了近3/4，电路连线和布局难度明显降低，系统体积缩小，较好地满足了机箱空间对嵌入式可编程控制器面积和体积的约束。其次可保证输入和输出点数，满足了输出模块的要求，以及大范围输出负载的要求，经过这样设计使得输出模块结构大大简化，一改传统模块的缺陷，并且设计扩展灵活，系统可靠性得以提高。