硬件接口电路（精选7篇）
硬件接口电路 篇1
在工业控制和数据采集系统中, 单片机以其成本低, 编程灵活、方便、实时性强和具有一定的智能化而得到了广泛的应用。然而, 许多复杂任务的实现, 如人机对话、任务的切换、算法的实现和大数据的运算等, 单片机就显得有些力不从心, 而PC机在这方面却有很强的优势, 这就需要将它们组合成系统, 让单片机只管控制执行机构和进行数据采集与传输;PC机将数据进行处理, 实现控制和数据处理功能。
因此对数据采集系统提出了要求:一方面, 要求接口简单灵活且有较高的数据传输率;另一方面, 由于数据量通常都较大, 要求主机能够对实时数据做出快速响应, 并及时进行分析和处理, 并在单片机和PC机之间进行高速和可靠的通讯。传统的外设与主机的通信接口难以满足上述第一个方面的要求, 一般采用PCI布线或RS-232串行总线, PCI总线虽然有很高的传输率, 还能“即插即用”, 但是它们的扩展槽有限, 且插拔不方便;RS-232串行总线虽然连接方便, 可是它的带宽有限, 传输速度太慢, 而且1条RS-232串口通信电缆只能连接1个物理设备。
USB技术正是顺应这一要求提出的, 它集PCI和RS-232的优点于一身:具有较高的传输速率, 实现了真正意义上的“即插即用”, 同时USB上最多可以连接127个外设, 解决了如资源冲突、中断请求和直接数据通道等问题。因此, USB技术非常适合实时数据采集的场合, 是目前较为流行的通讯方式。
1 USB接口及芯片选择
1.1 USB接口
当今的计算机外设, 都在追求高速度和通用性, 为了满足用户的需求, 以Intel为首的7家公司于1994年推出了USB (Universal Serial Bus通用串行总线) 总线协议, 专用于低、中速的计算机外设。目前, USB端口已成为了微机主板的标准端口。
USB接口和普通并口及串口相比较而言, 主要优势表现在以下几个方面:
(1) 使用方便, 连接外设不必再打开机箱;允许外设热插拔, 而不必关闭主机电源。
(2) 速度快, USB支持3种设备传输速率:1.5Mb/s (低速设备) 、12Mb/s (中速设备) 和480Mb/s (高速设备) 。
(3) 独立供电, USB接口提供了内置电源。
(4) 连接灵活, 1个USB接口可以连接127个USB设备, 既可以使用串行连接, 也可以使用集线器Hub, 把多个设备连接在一起, 再同PC机的USB口相接。
(5) 成本低, 为了把外设连接到PC上, USB提供了一种低成本的解决方案。
1.2 USB100模块与同类产品的比较
USB100模块在传输速率上具有突出优势, 对系统没有特殊的要求, 是其中性价比最高又能实现高速数据传输要求的最佳选择, 见表1。
2 微控制器选型
当今微控制器的种类很多, 从生产厂家来说有几十家, 例如:美国Intel公司、TI公司、美国微芯公司、韩国现代 (LG) 公司、台湾义隆公司和凌阳公司等。下面通过对当前流行的微控制器的介绍, 阐述选择PIC单片机的依据。
2.1 凌阳16位单片机
随着单片机功能集成化的发展, 其应用领域也逐渐地由传统控制扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域;它的CPU内核采用凌阳最新推出的μ′n SPTM (Microcontroller and Signal Processor) 16位微处理器芯片 (以下简称μ′nSPTM) 。围绕μ′nSPTM所形成的16位μ′n SPTM系列单片机采用的是模块式集成结构, 以μ′n SPTM内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件, 借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成, 便可形成各种不同系列派生产品, 以适合不同的应用场合, 这样做使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
从目前的应用来看, 凌阳16位单片机的优势在于它具有强大的语音处理功能, 然而, 它在工业控制现场的应用案例较少, 在控制领域并不具备突出的竞争力。
2.2 MCS-51系列单片机
传统的51系列微控制器, 在国内使用时间比较长, 开发产品的资料也比较多, 但其片内资源较少, 在外围电路中需加入多种模块, 如:A/D转换器、PWM、RAM和ROM存储器等。它的优点是外围电路易于扩展, 尤其是存储器的容量可以按需求增大, 缺点是在线调试程序不方便。如果应用到数据采集中, 外围扩展电路比较复杂, 电路板空间和制造成本较大, 而且在硬件电路的制作和调试方面也有一定的困难。
2.3 PIC系列单片机
PIC系列单片机是美国微芯公司 (Microchip) 的主要产品, 有PIC16系列、PIC17系列和PIC18系列等。PIC系列单片机CPU采用RISC结构, 它具有运行速度快、工作电压低、功耗低、较大的输入输出直接驱动能力、价格低和体积小等优点。
选用的PIC16F877单片机是PIC系列的中档产品, 其内部资源非常丰富, 含有8K的FLASH程序存储器、368B的RAM数据存储器、256B的EEPROM数据存储器、8通道10位A/D转换器、3个定时器、2个捕捉/比较/脉宽调制、1个同步串行端口SPI和通用同步/异步收发器?USART等。另外, 它具有外围接口电路简单、工作性能稳定等特点。
选择该芯片作为下位机控制器的核心, 利用上述丰富的资源来完成A/D转换、收发数据和输出显示信号等处理和指定的控制任务。
3 USB100模块的典型应用电路
图1为PIC16F877单片机与USB100模块通信的原理图, 其可取之处在于:
(1) 用USB自带的5V直流电源供电, 减小了系统的硬件电路制作量, 充分利用了现有的系统资源。
(2) USB传输线、电源线 (USBVCC) 与地线之间加两级滤波电容, 能有效的抑制传输过程中的噪声干扰。
(3) USB100模块输出电源VCC先经过电源开关, 接0.3A保险丝后为PIC单片机及其他用电器件供电;这样既为单片机安全用电提供了一定的保证, 又为其他器件用电留下了余量。
(4) PIC单片机的电源线和地线之间接入LED指示电路, 起到工作指示作用。它可以明确的反映出单片机是否有电源接入, 并能起到相当好的电路自检作用。
(5) 复位电路中将电容换成了电阻, 并装上了复位按钮, 可以方便地执行复位操作。
(6) USB100的I/O数据口和标志位控制端子均接入1.8kΩ的电阻, 即使发生短路等严重事故输入输出电流也不会超过3mA, 最大限度保证了电路的安全工作。
4 单片机硬件设计
美国Microchip技术公司的PIC系列单片机采用精简指令集计算机 (RISC———Reduced Instruction Set Computer) 、哈佛 (Harvard) 双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器;其高速度、低工作电压、低功耗和较大的输入输出直接驱动LED能力、一次性编程芯片的低价位、小体积、指令简单易学易用等特点, 都体现了单片机工业发展的新趋势。在全球都可以看到PIC单片机在不同领域的广泛应用, 它在世界单片机市场份额排名中逐年提前, 以致成为一种新的8位单片机的世界标准和最有影响力的主流嵌入式控制器, 所以选用PIC16F877作为主控制器。
PIC单片机外围电路如图2所示, PIC16F877微控制器的引脚功能配置如下:
(1) 端口D作为LED输出接口显示控制。
(2) RA0口为压力模拟信号输入端。
(3) RA1和RA2为USB100模块的标志位RXF和TXE。
(4) RA3和RC7为USB100模块的存入 (WR) 和读出 (RD) 标志位。
(5) 端口RC0、RC1、RC2、RC3分别为4位LED动态显示的片选控制端。
(6) B口作为USB100模块的数字I/O口。
(7) RA5可以根据编程设置, 起到工作状态监视作用。
5 结论
本文主要介绍了USB100模块的特点, 微控制器PIC16F877单片机的选择及外围电路的设计, 还简要介绍了USB100和PIC16F877单片机的典型应用案例, 在单片机应用中有一定的参考价值。
参考文献
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[4]夏路易, 石宗义.电路原理图与电路板设计教程Protel99se[M].北京:北京希望电子出版社, 2009.
硬件接口电路 篇2
USB (通用串行总线) 是一种电缆总线, 支持主计算机与许多可同时访问的外设之间进行数据交换。其相比传统的串口、并口, 具有灵活方便、成本低、通信可靠、支持热插拔、即插即用等优点, 在近些年得到了很大的发展, 广泛应用于个人电脑及消费电子产品中, 具有很高的实用价值。尤其自USB2.0协议面世以来, 其传输速率大幅提高到480Mbps, 特别适合应用于实时信号处理系统等高数率大容量场合。由于目前实时信号处理系统在通信、图像、电力、雷达、控制等诸多领域得到了广泛应用, 因此面向实时信号处理系统应用设计一种适应其应用特点的USB2.0接口具有比较重要的意义。
2、USB2.0接口硬件结构
基于DSP和Slave FIFO本文设计了一种USB2.0接口, 其硬件结构如图1所示。该接口主要包括DSP、USB微控制器两部分。在接口中, DSP实时处理前端输入信号, 与PC机通过USB微控制器中的Slave FIFO实现双向USB2.0协议通信, 并根据接收到的主机命令将需要的实时数据处理结果传送至PC机。
USB2.0接口硬件电路设计包括DSP、USB微控制器两部分, 主要完成DSP、USB微控制器的配置及与其周边电子元件的电气互联。
3、DSP及其周边电路设计
在实时信号处理系统中, DSP凭借丰富的寻址方式、内部资源及算法支持, 主要应用于高速实时数据处理等场合。在本接口电路设计中, 基于数据吞吐量、计算能力、应用场合等方面的考虑, 选用TI (德州仪器公司) 的数字信号处理器TMS320C6713。TMS320C6713是TI公司C6000系列DSP中的一款浮点数字信号处理器, 运算能力超群, 主频可到300MHz, 运算速度可到2400MIPS。
传统的DSP数据传输方式是由DSP读取数据后, 经过DSP自身将数据发送至接收端, 这种方式传输时间长, 传输速度低, 传输过程中大量占用D S P资源, 降低了D S P运算效率。本接口设计中, 利用DSP片上资源采用直接存储器访问 (DMA) 方式, 直接将数据在DSP片外存储器与接收端之间传输, 有效地解决了传输瓶颈问题, 提高了数据传输速度, 同时数据传输过程中无需占用DSP资源, 提高了DSP的运算能力。
本接口中D S P及其周边电路主要包括D S P、S D R A M存储器、Flash存储器及DSP电源监控芯片、模式配置电路等。在设计中使用DSP信号线CE[3:0]将片外存储器分为多个存储空间, 分别对应不同存储器, 并通过片上EMIF接口 (外部存储器接口) 实现电气连接。
3.1 SDRAM存储器
SDRAM存储器是一种同步存储器, 具有速度快, 容量大, 可连续读写等优点。电路中将两片位宽16位的SDRAM存储器并联成一个32位存储空间以提高数据传输速率。
3.2 FLASH存储器
作为一种不挥发存储器, FLASH存储器具有掉电不丢失数据的特点, 用于断电时存放DSP固件程序。
3.3 DSP模式配置电路
设计中通过配置TMS320C6713的HD12、HD8、HD[4:3]、HD14管脚来配置其工作模式。
4、USB微控制器及其周边电路设计
目前市场上有很多支持USB2.0协议的USB微控制器, 比较知名的有Cypress公司的EZ-USB FX2系列USB微控制器、Philips公司的ISP系列、PDIUSB系列微控制器, 其中Cypress公司的EZ-USB FX2系列USB微控制器以其丰富的开发资源、方便的开发环境得到了业界的广泛应用。因此本接口设计中选用该系列中的CY7C68013A作为USB微控制器, 其自带超强USB2.0引擎SIE、集成增强型8051内核和多种外围资源, 指令向下兼容, 周期短且支持软配置。
传统的U S B微控制器接收数据后, 在微控制器内核的控制下进行数据打包/拆包以实现USB协议。由于这种方式下每个数据均需等待微控制器指令处理, 所以耗费的时间长, 传输的速度慢。本接口中采用Slave FIFO方式, USB微控制器CY7C68013A使用Slave FIFO端口以外部总线FIFO或RAM的方式为DSP提供一个弹性、高速的接口, 数据传输速率最大可达到240Mb/s, 显著提高了数传率, 有效利用了USB2.0协议的带宽。具体实现中, DSP直接与USB微控制器中的Slave FIFO进行数据通信, 由USB微控制器底层硬件自动实现Slave FIFO中的数据与USB2.0协议间的转换, 不需微控制器内核指令处理。其中, Slave FIFO由USB微控制器中的4组64字节FIFO构成, 可接收外部读写控制, 数据路径16位, 两个FIFO作为输入, 两个FIFO作为输出。
USB微控制器及其周边电路主要包括USB微控制器、EEPROM和电源复位电路等。其中, EEPROM用于在断电时存储USB微控制器的固件程序。
5、结语
本文从硬件上设计了一种USB2.0接口。该接口采用DMA数据传输方式, 使用Slave FIFO端口通信, 符合USB2.0规范, 具有灵活方便、即插即用、支持热插拔、数据传输速率高等优点。在此基础上, 接口可与实时信号处理系统中的数据采集、数据处理等模块进行整合, 实现了与PC机间的数据高速传送, 提升了系统性能, 拓展了系统应用。实践证明了它的正确性和实用价值。
摘要：本文介绍了一种基于DSP和Slave FIFO的USB2.0接口硬件电路设计。针对数据传输瓶颈问题, 设计采用DSP直接存储器访问 (DMA) 数据传输方式, 实现了一个可工作于实时信号处理系统中的USB2.0接口。该接口使用Slave FIFO端口进行通信, 可以有效利用USB协议带宽, 提高数据传输速率, 具有较高的实用价值。
关键词：DSP,Slave FIFO,USB2.0接口
参考文献
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硬件接口电路 篇3
半实物仿真阶段是民机飞控系统研制的一个重要阶段, 此时通过主飞行仿真计算机对飞机的六自由度运动、发动机推力、起落架系统、液压燃油等系统进行计算模拟, 但对驾驶舱操纵器件、飞控计算机、传感器、仪表显示等与飞行控制相关设备采取真实硬件, 一方面可以在初期对控制策略进行原理性试验;另一方面是在系统集成阶段对飞控系统机载设备进行测试验证。由于各种机载设备在飞机上是通过模拟信号或者各种总线数字信号连接在一起, 因此, 在地面半实物仿真需要硬件接口系统对各种模拟信号、数字信号、ARINC429总线、以太网等进行分配、管理。
硬件接口系统主要功能是实现主飞行仿真计算机内部数据与驾驶舱仿真设备以及之后的飞机机载设备所需电气物理量之间的变换和传输功能。硬件接口系统接收主飞行仿真计算机内部的数据, 并将这些数据传送给仿真驾驶舱的显示屏、指示灯, 同时接口系统采集驾驶舱设备的开关、按钮、旋钮等操控设备的状态, 并将这些状态转换成各仿真软件内部需要的变量数据发送给仿真计算机。对于需要通过航空总线进行激励的设备, 例如ARINC429或者ARINC 664的航电设备, 接口需要搭建相应的航空总线通道, 这样接口系统接收各仿真软件内部的模型数据, 转化成总线信号, 通过航空总线向设备发送激励信号, 同时接收设备发出的总线反馈信号并解析转化成各仿真软件内部需要的数据信息。
1 系统架构
硬件接口系统由接口计算机、各种信号和总线的接口板、接口配线箱、接口子系统和连接电缆组成硬件接口系统组成原理如图 1所示。
2 系统组成
(1) 接口计算机
接口计算机为高性能工业接口PC, 具备10个以上的PCI插槽, 每个插槽上可以安装各种信号和总线接口板。
接口计算机上安装有操作系统。接口计算机中安装的各种信号和总线接口板, 通过运行在接口计算机中的接口控制软件进行驱动。接口软件通过以太网 (UDP/IP) 与实时仿真主机交换数据, 通过对接口板的读写实现与设备的通讯。
其中航空总线信号的板卡也可以根据需要安装在航电仿真计算机上, 将对应板卡的接口驱动模块在航电仿真计算机上调用运行。
(2) 接口配线箱
接口配线箱中实现信号、工作电源、照明电源的重新分配, 为接口板与设备的通讯建立通道, 为设备的工作分配工作电源和照明电源, 使得设备能够正常工作。由于接口板上按照信号电气特性进行分类的, 如DI、DO、AD等, 而驾驶舱设备则是按照设备功能组织的, 从电气特性角度来说是一个综合体, 有可能由多种信号组成, 这样就需要在接口配线箱中对设备的信号电缆进行重新分类组织使之符合接口板的电气信号定义。同时根据驾驶舱设备工作的需要将工作电源和照明电源分配到设备电缆。
通过接口配线箱可以使仿真件的接口电缆线和真件的接口电缆线相分离。使得电缆线路的走线更清晰, 方便电缆线路的检查以及设备的拆装和替换。
(3) 接口子系统
接口子系统是一个小型的接口采集系统, 它由接口控制盒和配线箱构成。接口控制板具备96个DI通道、48个DO通道和8个AD通道的驱动能力, 通过本子系统的配线箱与驾驶舱设备进行通讯, 而向上则通过标准的RS422总线协议与接口计算机中的接口软件实现数据通讯。由于接口子系统对 DI/DO/AD信号的驾驶舱设备进行前端控制处理, 在接口计算机中就不需要插对DI/DO/AD信号处理的板卡了, 所对应仅需插入一块串口卡, 减少了接口计算机内部的板卡数量, 减轻了接口计算机的负担, 简化了接口系统结构, 实现了接口系统的分布式处理。其组成原理见图 2。
由于各接口板卡是非常成熟的货架产品, 各接口板卡采用市售成熟的高品质板卡, 飞机研制过程中前期对设备进行仿制和后期对机载真实设备的换装的需要, 硬件接口系统主要的板卡有ID板、DA板、A429等板卡, 其清单见表1。
(4) 软件
接口控制软件运行在接口计算机的操作系统中, 通过寻址接收各种接口板上发来的信号并根据各仿真系统的需要和要求, 对接收到的数据进行处理, 并打包通过以太网 (UDP/IP) 把数据传输到主仿真计算机中, 由主仿真计算机进行分发。
随着机载真实设备的接入, 根据所提供的设备的实际情况, 接口控制软件将接收仿真计算机的传来的数据, 并依据机载设备所遵循的数据格式和数据协议, 从中来提取所需数据, 把数据存储在符合主仿真计算机所定义的数据结构中, 并通过以太网 (UDP/IP) 输出给主仿真计算机, 同理, 接口控制软件也将通过以太网 (UDP/IP) 接收实时仿真主机主仿真计算机传来的数据, 把数据转换成符合真件接收的数据格式并根据真件的通信协议输出。
接口控制软件主要包括:RS-422串口板读写模块、A429板读写模块、A664板读写模块、A429/A664数据转换模块、ID/DO数据处理模块、AD/DA数据处理模块。
接口控制软件的原理框图见图 3。
3 结束语
本文对民用飞机飞控系统半实物仿真系统的硬件接口系统进行了设计和研究, 描述了其系统架构、组成、功能, 并提供了推荐的硬件采购清单, 根据此方案可以为半实物仿真系统提供硬件接口系统, 根据具体的信号种类、数量采购相关的板卡, 并开发驱动, 事实证明, 采用此方案, 可以高效、灵活地进行接口控制和管理。
参考文献
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[3]申文彬, 刘宏立.实时仿真系统的时间特性分析与控制[J].中国科技信息, 2005 (24) .
硬件接口电路 篇4
关键词：硬件加密,FPGA,USB
0 引言
随着Internet和电子商务的蓬勃发展, 基于Internet的商务活动也日益频繁, 对信息安全提出了更高的要求。本文提出的基于FPGA+USB接口的硬件加密系统充分发挥了FPGA的灵活性强、速度快和USB传输速度快的优点, 工作可靠, 具有比较广泛的应用前景。
1 系统硬件组成
图1为系统硬件结构图, 其核心部分是FPGA芯片, 同时配置FLASH ROM芯片作为FPGA的配置芯片。各种功能通过FPGA设计工具用VHDL语言进行描述, 在集成软件环境中进行编译、调试及综合, 使用专用下载电缆将程序代码下载存储在FLASH芯片中, 一旦系统上电复位, 主FPGA芯片将把FLASH芯片中的配置信息读入自己的RAM中进行初始化工作。
1.1 FPGA功能模块
FPGA功能模块是系统的核心, 主要实现以下3个主要功能:
(1) 用于实现加密过程中的时序控制, 包括对加密数据的输入和读取控制、加密算法的模式选择和公钥随机数的输入等。采用状态机设计思想实现整个时序的控制。
(2) 用于实现各种加密算法, 包括DES、3DES、RSA和Hash算法等。主设备PC机上需要加密的数据通过USB接口发送到FPGA功能模块的加密芯片上, 加密芯片根据控制信号的信息分析出应该采用哪种加密算法, 产生加密数据后, 给出标志信号, 然后就可输出加密好的数据。在FPGA设计工具中调试好的设计程序以网表文件的方式存储在FLASH芯片中, 一旦系统上电复位, 主FPGA芯片将把FLASH芯片中的配置信息读入自己的RAM中进行初始化工作[1]。
(3) 实现与USB接口的数据通信。能将待加密数据送往加密芯片, 也可以将已经加密好的数据从加密芯片中读出来送到主设备中。FPGA和USB之间的通信就是8位数据总线加上若干控制信号, 只要控制FPGA产生符合USB输入/输出时序的脉冲, 即可实现两者之间的通信。
1.2 USB连接
本系统选用Cypress公司EZ-USB FX2系列CY7C68001芯片, 该芯片具有Slave FIFO和可编程接口GPIF两种接口方式。在本系统中, 该芯片工作在Slave FIFO模式。该模式下, 外部控制器可象普通FIFO一样对FX2的多层缓冲FIFO进行读写, FX2可以和FPGA直接通信而无需8051固件参与。CY7C68001与FPGA的连接如图2所示。
1.3 密钥信号的产生
密钥信号产生模块的功能是产生真正意义上的随机数, 而不是通常由软件产生的伪随机数。真随机数在密码技术中的用途在于产生工作密钥和会话密钥, 为公钥算法提供生成素数所需的随机数, 某些公钥算法和协议 (如密钥交换协议等) 直接需要1个或多个随机数参与运算。模块生成随机数的机理源于大自然中的永恒噪声, 将元器件的固有噪声放大, 并通过A/D芯片采样转换, 就可以得到真正意义上的随机数。系统中采用的A/D芯片MAX152的转换精度为8位, 成本很低, 而且产生的随机数足以满足系统的性能要求[2], 如图3所示。
2 PC机侧的软件开发
从www.cypress.com的网站上可以下载文件EZ-USB-devtools-version-261700, 经安装后可以得到CY7C68001芯片的驱动ezusb.sys和应用程序EzMr.exe (该程序也被称为EZ-USB控制面板) 。该应用程序具有以下功能:
(1) 获得descriptor;
(2) 下载软件 (针对CY7C68001的开发板) ;
(3) 从屏幕或文件发送/接收数据;
(4) 数据发送返回测试等。
在该应用程序的帮助菜单里有详细的使用说明。该程序的缺点是不能连续地从FPGA中接收数据。
另外还有2种简易的方法可以开发CY7C68001的驱动和应用程序:
(1) 使用Jungo公司的Windriver6.02, 把做好的CY7C68001通信板接到PC机上, 启动Windriver6.02, 按照屏幕提示可以很轻松地获得驱动和应用程序。这种方法的优点是可以连续地从FPGA中接收数据并且可以看到程序原代码。从www.jungo.com网站上可以得到详细的信息。
(2) 使用Cypress公司提供的EZ-USB通用目的驱动来开发设计应用程序。
本系统的应用程序采用VC++编写, 为用户提供一个友好的交互界面。主要实现“加密数据”、“解密数据”、“清除数据”、“设备复位”、“显示设备信息报告”等功能。
3 结语
本文提出的基于FPGA和USB接口的硬件加密系统, 由USB接口发送待加密的数据, 通过FPGA芯片硬件完成数据加密过程, 并由高速传输总线传输数据。该系统具有处理速度快、实时性好、安全性高、灵活性强等优点, 能较好地实现主机的硬件加密, 具有广泛的应用前景。
参考文献
[1]刘韬, 楼兴华.FPGA数据电子系统设计与开发实例导航[M].北京:人民邮电出版社, 2005.
硬件接口电路 篇5
1 控制器选取和架构选择
目前, 应用比较广泛的广播发射机监控系统主要有四种, 分别是:工控机带数据采集卡、直接采用PLC进行编程控制的系统、采用微处理器进行智能控制的系统和可编程自动化控制器, 又称为PAC。就本文而言, 采用的是最后一种应用方式, 选用的是泓格8000系列或者是7000系列的PAC控制器。由于其在抗干扰方面具有很好的性能和表现, 省去了控制过程中对所有控制器的屏蔽过程, 操作较为简单。将其与监控点建立联系时, 不需要额外的硬件设备, 直接采用导线接通的方式即可实现。在我们初步确定选用的对口控制器后, 还需要对监控系统硬件的结构进行综合评价, 根据评价的参数和结果进行下一步的工作, 选用单套发射机安装嵌入单套硬件接口的设计方案。
2 自动化系统硬件接线方式
2.1 数字输入DI接线方式
在工作中, 数字输入DI模块是使用比较普遍的一个种类, 87053是最为典型而且常见的模块, 下面就以其为对象进行简要说明。对78053模块而言, DI输入阻抗值的大小都是3K, 电压的输入值不得超过+30V。其中, 外接电源的额定电压为+12V。通过相关的公式可以进行计算出光耦合器的初级电流幅值为4毫安。对DI模块而言, 在指示其通断状态时, 采用的是指示灯, 通过指示灯来表示通道的状态。
就PDM机而言, 完成数字输入功能的绝大部分采样点都对应着一些触点。这些触点位于不同的元器件上, 其中的采样点多是继电器的触点, 这些继电器一般安装在输出板上和输入板上, 而干接点这一类典型的触点则是来自于同轴开关。以典型的DI.COM为例, 其上每成对出现的触点, 对应继电器上特定的位置, 在接线时分别连接电源和DIX端口, 采用12V的稳压电源进行供电。如果出现触点比克的情况, 87053中的相应模块就接通了电源, 然后对应该模块的指示灯会处于显示状态。
哈里斯DX-10型机采用接线方式, 首先是确定DI.COMB接+12V开关电源。但是, 当广播发射机呈现低压状态时, 控制器开关电源不关闭, 这时我们会发现所有的DIX指示灯都会亮。经过电路图分析, 发现是Q1次级出现了不导通的意外情况, 但是发射机开关电源选用+22V。为了能找到一个解决方法, 我们首先应该做的是考虑选用第一种方案:在DI.COMB上, 改接发射机输出接口其中一个线排上的+15V接点, 因为它可以提供175m A的电流, 当低压关闭的时候, DI.COMB和“发射机+12V”会同时失电, 不会产生任何误指示;但它的缺点是违反了模块外接电源与发射机电源不同路由的大方向。所以, 我们再考虑采用第二种方案:在此电路中, 由于D1只是当集电级高于+22V起作用, 而试验中的DI.COMB仅有+12V, 经过这些分析后, 我们将D1清除焊掉, DI.COMB还继续保持连接开关电源的+12V。实验结果表明, 第二套方案可以更好的满足工作条件和工作过程中的需求。
2.2 模拟输入AI的接线方式
我们选用了87017和8017模块进行了实验, 然后调节它们的输入范围, 控制在-10V~+10V的区间内。采用高电阻输入的方式, 同时配套ADC隔离的方式。然后, 对两种模块所得的实验数据进行了比较发现, 前者的采样频率为10Hz, 只要满足采样的电压两端接入模块的Vinx+和Vinx-, 基本上满足了对发射机完成检测所需的低频率的采样标准。相比而言, 后者的采样频率的幅值达16Hz, 在对发射机进行监测时, 其输入端和输出端的音频信号, 可以分开独立处理。选用8017采集数据, 就可以得到输入音频和输出音频的变化, 发射机的工作正常与否, 利用上位机的音频的大小和数值有无, 就可以直接进行判定。采用后者更便于直接采集和处理音频信号, 在应用上具有一定的优势。
2.3 数字输出DO接线方式
数字输出DO模块类型现如今应用非常广泛, 本文以87057型模块来举例说明。模块上每个DO最大负载电流为100m A, 输出端的最大外接电压为+30V, DO.PWR端接+12V的开关电源, DO.PWR端接地;每个DO通道都对应一个指示灯来明确表示状态, “0”或“OFF”表示熄灯, “1”或“ON”表示亮灯。
在实验的过程中, 我们应当通过继电器的出发点对实验进行检测, 但是在具体的试验中, 也应该具体问题具体分析, 根据不同发射机的特点, 灵活选择处理方式。
第一, 绝大部分发射机的天线/假负载与数字输出DO都是倒换控制, 然后通过应用继电器本体的触点直接控制发射机;
第二, 以常用的613k Hz为例, 天线/假负载倒换控制分别是主机上天线、备机上天线、启动假负载这三个继电器, 由2台发射机控制器共同管理, 天线/假负载倒换和指示的电源端选用TZ±12V。在实际试验中, 主机和备机与数字输出DO端互不影响。
2.4 抗干扰的接口板 (并接0.01μ电容)
PLC自身的抗干扰级别等级比较高, 采用PLC抗干扰级别高于PAC控制器系统, 如果是在射频干扰比较严重的发射机房中, 必须对数字输入和数字输出的信号上做一些必要的屏蔽处理。要知道, 控制器本身具有一定的抗干扰能力, 如果干扰信号过弱, 监测数据不会太精准, 但如果是干扰信号过强, 又会产生错误的信号, 导致错误动作的产生。经过试验得出, 如果控制器直接介入了发射机的采样信号, 那么, 其自身的射频干扰信号将会达到最高峰的3.5V。为了解决低射频的直接干扰, 我们可以接入RC网络。
由上可以看出, 普通导线和屏蔽线可以有不同的接法, 通过对比, 可得出结论:只需采用最简单的普通接线, 并尽量在控制器端的就近位置处并入电容C (0.01μ电容) , 就可以将射频干扰降低控制在600 m V, 从而降低控制器的抗干扰压力。
3 结语
发射机种类繁多, 接线方式也各种各样。在设计发射机方案的时候, 应该做一个全方位的思考, 并查看所有相关的电路图, 必要时要先做实验确定自己的假设。在安装后, 如果发现不匹配的情况, 在情况不严重的情况下, 则需重新拟定计划和涉及方案, 如果情况比较严重, 则会直接影响视频的安全播出, 造成无法挽回的严重后果。所以, 设计人员在设计方案时, 一定要明白发射机的重要性, 慎之又慎。
摘要：本文详细介绍所设计的一套集稳定性和可靠性于一体的自动化硬件接口系统, 同时, 配以安全可靠的软件使用维护系统及大众网络的数字传输技术, 真正实现“无人值守”的目的。
关键词：自动化硬件接口,模块,中波发射机
参考文献
[1]胡冠山, 李作纬, 刘后毅.嵌入式网络仪器的设计和实现[J].仪器仪表技术与传感器, 2006 (12) .
[2]姚光开, 于永棠, 柴乔林.微型TCP/IP协议的设计与实现[J].计算机应用, 2003 (9) .
[3]魏玉轮.中波广播发射机自动化系统的硬件接口设计[J].中国传媒科技, 2012 (14) .
[4]陈思平.中波广播发射机自动化监控系统中的下位机子系统软件设计及“零点问题”分析与解决[J].中国传媒科技, 2012 (14) .
[5]黄文宁.中波广播发射机微机监控系统概述[J].广播与电视技术, 2003 (7) .
基于CPLD的键盘接口电路 篇6
1.通过动态扫描来判断是否有键按下。
2.将键值转换成对应的ASCII码值。
3.在时钟脉冲的作用实现串行数据的接收与发送。
二、设计方案分析
1.动态扫描原理。 (1) 依次使列线scan0—scan7输出0电平, 检查行线retn0—retn7的电平状态。如果行线retn0—retn7的电平全为高电平, 表示没键按下。如果retn0—retn7上的电平不全为高电平, 表示有键按下。 (2) 如果没键按下, 就返回扫描。有键按下则进行逐行扫描, 找出闭合键的键号。其过程是:先使scan0=0, scan1—scan7=1, 检测retn0—retn7上的电平, 如果retn=0, 则表示第一行第一列的键被按下, 如果retn1=0, 则表示第二行第二列的键被按下, 其他依次类推;如果retn0—retn7均不为0, 则表示这一列没键按下;然后再使s c a n 1=0, 检测第二列按键, 这样一直循环下去, 知道把闭合的键找到为止。
当有键按下时, 根据该时刻的scan值和retn值就可判断按下的是哪一个键。
2.芯片内部模块框图
三、模块设计
1.数据接收模块框图
该模块实现对串行数据的接收记数和串并变换的控制功能。
reset复位输入端;clk时钟输入端;r x d串行数据接收端;led[2..0]输出按下键对应的ASCII码值的低三位去驱动发光二极管。
串行数据接收控制单元:将串行数据接收计数器设置位一个6位计数器, 高4位为sh_r, 低2位为sl_r, 利用该计数器的状态实现串行数据的同步控制和记数控制。
串并转换电路单元:从RXD端接收的串行数据进经过串并变换后, 将其低三位经LED输出端输出, 驱动发光二极管LED0, LED1, LED2发光, 从而显示接收端RXD的每个数据的低三位。当每个数据的低三位相同时, 显示状态就不变化, 否则就出现闪烁现象, 以此来检查芯片的工作情况。
2.行编码, 列记数译码模块框图
该模块实现行输入数据的编码、列扫描信号的记数、列值的译码功能。
行编码电路单元:正常工作时, 列扫描信号s a n c按列扫描, 如果扫描到只有一个按键按下时, 则相应的行扫描信号从rent0至rent7输入行编码电路, 经过编码后的3位行编码信号由renc0至renc3输出;当由两个键同时按下时, 行号低的位具有高优先级, 优先编码;如果没有按键按下则rent=11111111.
列扫描记数电路单元:列记数器为一个6位计数器, 对列扫描进行状态和记数控制;该计数器由行输入信号r e t n控制, 当retn="11111111"时, 即没有按键按下时, 列计数器对列扫描循环记数, 进行加1操作;一旦有键按下, 则记数输出信号scnt被锁定为该时刻的记数值并保持不变, 经译码后形成列扫描输出信号scan。
3.发送模块框图
该模块实现对发送计数器状态, 以及记数的控制, 将键值转换成对应的ASCII码并发送的功能。
根据是否有键按下来决定是否启动发送计数器。当有键按下时, 发送计数器被启动记数, 然后将此时retn和scan的状态通过查表转换变成该键对应的ASCII码发送出去, 但只有当按键离开以后才能进入下一个数据的发送准备状态。
摘要：本设计是用VHDL语言来实现的基于RS232按位串行通信总线的行列式矩阵键盘接口电路, 具有复位和串行数据的接收与发送功能, 根据发光二极管led0—led2的显示状态可判断芯片的工作情况;实现所有电路功能的程序均是在美国ALTERA公司生产的具有现场可编程功能的芯片EPM7128SLC84-15上调试通过的。该电路的设计贴近生活, 实用性强, 制成芯片后可作为一般的PC机键盘与主机的接口使用。
关键词：CPLD,VHDL,键盘接口
参考文献
[1]邢立军:微型计算机接口技术.机械工业出版社.2004.8
[2]周志光:单片机技术与应用.中南大学出版社.2005.8
硬件接口电路 篇7
CAN在网络上上属于总线式结构, 系统由上位机、现场总线网络和智能传感器三部分组成。上位机主要负责对系统数据的接收与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示;智能传感器主要负责对现场的环境参数和设备状态数据进行监测, 把采集的模拟信号进行打包处理成数字信号并通过CAN通信控制器SJA1000发送到CAN总线。系统中的数据传送和接收, 都是通过CAN总线接口实现, 所以CAN总线接口电路的设计是很重要的。
2、智能传感器的CAN总线接口设计
在CAN总线设计的掌握上, 首先要明确一定的设计要点, 熟悉硬件电路的设计点, 通过处理C A N通信控制器与微处理器之间的主要关系, 构建完善的数字网路, 并注重CAN总线收发器和物理总线的接口电路, 围绕一些主要的参数点和技术含量要求, 譬如单机片、控制器的接口、看门狗电路等的一些具体的数据细化工作。在掌握CAN通信控制器的核心看点上, 熟知CAN总线接口的主要点, 完成CAN的通信协议, 并发挥出CAN总线收发器的主要功能, 以便增大通讯之间的有效距离, 进而提升系统的瞬间抗干扰能力, 实现对总线的整体保护, 尤其是可以有效的降低RFI的射频干扰, 突出热防护的有效效果。在收发器的选用上, 可以采用Philips公司生产的SJA1000控制器或者其他配型的收发器, 通过系统的全盘设置, 选择有利的总线介质, 设计合理的布线方案, 在具体链接C A N网络时, 实现对两套介质同时进行信息的有效传送, 形成与另一种介质的共融, 并通过技术处理实现总线的切换功能。
2.1 单片机最小系统
本设计中用到的单片机为AT89C51, 该型号的单片机应用广泛, 技术成熟, 市场上价格便宜, 而且在学习中所学到的多为该型号。设计的电路原理图如图1所示。
设计中为避免出现时钟信号的冲突, 对单片机的外接晶振引脚XTAL1、XTAL2不接上外围电路, 而是通过控制器SJA的时钟信号脚反馈给单片机。同时, 对单片机的复位信号处理, R S T引脚接上X5045P的RST脚, 复位信号可由X5045P输出, 在X5045P芯片看门狗外围电路的作用下, 减少了以往由电阻、电容组成的简易复位电路造成的不精确、延时高等不良作用, 使单片机回复到初始状态, 完成复位操作。由于在该电路中要用到单片机的存储作用, 存储由SJA1000传输过来的处理数据。因此, 脚/EA接上高电平, 选用片内ROM.对ALE脚是和控制器SJA1000的ALE脚接通。
2.2 CAN总线接口电路设计
通过SJA1000总线接口芯片实现上位机与现场微处理器之间的数据通信, 该电路的主要功能是通过C A N总线接收来自上位机的数据进行分析然后下传给下位机的控制电路实现控制功能, 当CAN总线接口接收到下位机的上传数据信号, SJA1000就产生一个中断, 通过中断处理程序接收每一帧信息并通过C A N总线上传给上位机进行分析。A T 8 9 C 5 1是C A N总线接口电路的核心, 其承担C A N控制器的初始化, C A N的收发控制等任务, 如图1所示。
2.3 CAN总线收发电路设计
在CAN控制器与物理总线的技术设计上, 可以通过提供对总线的差动发动和接受水平, 实现与各项质量标准相符合的要素。进而实现CAN的瞬间抗干扰的能力, 有效促进对总线的保护。因此, 在全面考虑系统的可靠性和抗干扰的技术要求上, 可以采用光电耦6N137实现CAN控制器与接收器之间的隔离作用, 尤其是PCA82C250可以通过提供对总线的差动发动和接受水平, 在整体功能的提升上, 通过电流限制电路的作用, 全面深化对总线的进一步保护。特别是在通过82C250与物理总线进行连接, 实现总线支持可以实现对110个节点的链接, 尤其是带有CAN控制器和总线接口的器件, 并可以实现1Mb/s的速率工作, 达到在一定恶劣环境下的正常运行, 提高整体设计的功能。
设计中, 收发器的接收、发送脚原理上要和SJA1000的发送、接收脚相连接。但这样一来, 给通信带来麻烦。为此, 在它们之间接上告诉光耦合器6 N 1 3 7, 实现了电气隔离, 更好的进行通信联系。82C250的TXD、RXT就对应接上6N137的输出脚OUT和输入脚IN;脚Rs作为斜率控制电阻输入端, 电阻的大小可以割据总线通信速度适当调整一般在16~140KΩ之间, 设计中Rs阻值为47kΩ。电压引脚Vcc, 其电源电压在设计中采用5V电压, 而CANH, CANL脚是信号的输入输出, 实现对电平信号的传送, 通过它们连接上双绞线, 完成通信传输, 电路图如图2所示。
3、结语
现场总线标准及其技术改变了传统控制系统的结构, 形成了全新的网络集成分布式控制系统。非常适合于作为现场监测和控制系统的通信协议。本文正是基于单片机处理器的基础上, 外接看门狗电路芯片X5045P及高速光耦合器6N137、控制器SJA1000和82C250收发器等来设计智能传感器C A N总线接口电路, 可根据实际需要广泛应用在工矿企业的现场生产控制系统的各类传感器的网络通信中, 具有使用方便, 实用性强的优点。
参考文献
[1]杜尚丰, 曹晓钟, 徐津.CAN总线测控技术及其应用[M].北京:电子工业出版社, 2006:1-8.
[2]张培仁, 孙力.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2007:337-378.
[3]Chen Changqing.Smallaircraft CAN acquisition equipment[C]//Proc.of Computer, Mechatronics, Controland Elec-tronic Engineering (CM CE) .Washington:IEEE Press, 2010:223-226.