基于STD总线的多路数字I／O设计

 在工业控制领域，数字I／O以其简单、灵活的特性，得到了广泛的应用。以往对于数字I／O的应用和数量增加的方法通常用GAL和专用I／O芯片采用译码扩展等方式来实现，这种方式尽管能够满足一定程度上的要求，但对于更大数量的I／O应用，比如几十甚至上百路的数字I／O，就勉为其难了。为了满足这种要求，并且进一步提高数字I／O的使用效率，专门针对多路数字I／O进行了基于STD总线的设计，应用Xilinx公司的CPLD进行编程开发，实现了64位数字输入DIN 0～DIN 31和64位数字输出DOUT O～DOUT 31，同时每一路I／O可以独立编程，既可以作为输入又可以作为输出。

1 STD总线

    目前，STD标准总线已成为工业控制领域内最流行的标准总线之一，主要用于8位微处理机和单片机工业控制系统。STD总线的典型结构如图1所示。

    在工业控制系统的实际应用中，上位机、主控模块等往往需要通过STD总线，根据STD总线的协议、特性访问其他的单片机系统。例如，在某测量设备中，上位机、主控模块可以通过总线上的I／O模块、A／D模块接口，采集传感器的量值，通过STD总线访问RAM模块，以及通过STD总线进行主控模块与总线上其他控制器之间，主控模块与上位机之间的通信与数据交换等，构成了一个微型的工业控制网络。本文的多路数字I／O就是STD总线中的一个模块。

2 多路数字I／O的硬件设计

2．1 电路组成

    主要由可编程逻辑电路、电平调理电路、总线接口电路以及电源电路等组成。可编程逻辑硬件采用Xilinx公司的CPLD器件XC95288，应用。Xilinx公司的Project Navigator(ISE)集成开发环境进行编程开发；电平调理电路采用74LS245，具有输入输出电平转换的功能，还可以通过接继电器或者光电隔离器与外设接口；总线接口电路采用74LS245，对74LS245的DIR(方向)进行读写编程，实现了与STD总线的数据通信，电源电路为CPLD以及电平转换电路等提供必需的电源系统。

    硬件实现框图如图2所示，虚线框内为多路数字I／O的硬件电路部分。

2．2 性能特点

    数量多 CPLD芯片XC95288具有208个管脚，其中用户I／O管脚数量达到168个，除了地址总线、数据总线以及片选信号等所占用40个I／O之外，其余的128个I／0完全可以作为通用I／0编程使用；

    面积小 如此众多数量的I／O，完全由一片CPLD来实现，简化了电路设计程序，减少了PCB的设计面积，又提高了数字I／O的稳定性；

    灵活性高 由于每一个I／O都可独立编程，因此在使用过程中变得非常灵活，可以根据现场需求随时改变其输入、输出，在工业控制应用领域为产品的增强与升级提供了极大的灵活性。

    此外，该设计还具有传输速度高(由CPLD的传输特性决定)及电平兼容性好等特点，可满足用户在测试、控制及设计应用中的多种需求。

3 多路数字I／O的程序设计

    该系统使用业界领先的FPGA设计环境XilinxISE，其将先进的技术与灵活性、易使用性的图形界面结合在一起，可以在最短的时间，获得最佳的硬件设计。XC95288 CPLD是低功耗3．3 V器件，288个宏单元，6 400个可用逻辑门，168个用户I／O，再加上灵活、高度优化的VHDL硬件描述语言，实现了128位数字I／O的程序化设计。

3．1 部分程序代码

    部分程序代码如下：
   
   
    其中：addr是10位地址总线；bd是8位数据总线；en_245和dir_245分别是STD总线接口芯片74LS245的片选使能与方向信号；tempx是片内寄存器；io_inx和outx分别是8位输入、8位输出I／O口。

3．2 性能描述

    多路数字I／O口的选择由10位地址决定，不同的地址操作不同的。I／O端口，在I／O非动态情况下，数据总线处于高阻状态，避免了总线冲突，同时也提高了I／O端口的稳定性，减少了高速数据传输条件下引起不必要的错误，根据现场对I／O输入、输出的需要，可以修改程序，灵活改变端口的功能，另外，对于输出端口，加入了数据写出后读回的功能，使得上位机能够随时验证写出数据的正确性，对于外设信号，通过信号调理板实现电平匹配，进一步增加了本设计的功能可靠性。

4 结语

    以CPLD器件为核心，选用Xilinx公司的ISE作为硬件开发平台，并采用VHDL编程语言，充分应用了可编程逻辑器件的特点，发挥了VHDL硬件描述语言的编程优点。减少了芯片数量，既做到了系统小型化又降低了成本。程序已通过综合实验，应用了STD总线的通讯特点，与总线上的其他板卡、设备通讯也极为方便，既解决了工业通信网络的一般问题，又达到了工业通用I／O的较高要求。总之，该多路数字I／O设计容量高、功耗低、速度快，不仅具有通用性、实用性，而且具有灵活性和移植性，便于调试，为高速I／O开发设计提供了一种很好的尝试，相信在很多行业都会有广阔的应用前景。