一种基于cpld的io站数字量输入模块及输入方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于CPLD的IO站数字量输入模块及方法，由复杂可编程逻辑器件CPLD、连接背板、电源和多个功能电路组成，功能电路为保护电路、采样电路和隔离电路；CPLD输入接口通过所述隔离电路连接到采样电路，采样电路上级联有保护电路；CPLD通信接口连接至通信接口电路，当输入高压数字量信号时，经由CPLD处理后通过增强型SPI通信接口电路上传到网络控制器连接背板接口。本发明结构简单、成本低。采用高性能的复杂可编程逻辑器件对16路数字量输入信号进行实时并行处理，实时性高、可靠性高。本发明可以在任何具有增强型SPI接口的设备上直接使用。
【专利说明】—种基于CPLD的IO站数字量输入模块及输入方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件的灵活IO站数字量输入模块，特别涉及一种IIOV灵活IO站数字量输入模块及输入方法。
【背景技术】
[0002]IO站是一种高密度的控制及采集模块，主要应用于高速列车的电气系统。一个标准的IO站包括网络控制器、控制模块(模拟及数字输出模块)、采集模块(模拟及数字输入模块)、连接背板四大部分。其中，网络控制器为IO站的核心，对外负责挂载通讯总线，对内负责与控制模块及采集模块通讯。网络控制器、控制模块、采集模块通过背板衔接在一起，组成一个标准的IO站。
[0003]IO站数字量输入模块是标准数字(开关)量输入模块，即DI模块的变形扩展应用，适用于高可靠性高密度的应用场合。目前，基于工控机的数字量输入模块和基于RS485总线的数字量输入模块通用的输入标准为24V，无法实现高电压(如110V)的数字量信号输入，故此无法直接进行高压数字量信号的采集。
【发明内容】
[0004]为了克服现有IO站数字量输入模块不能实现高电压(例如110V)数字量信号输入，本发明提出一种基于CPLD的IO站数字量输入模块，由复杂可编程逻辑器件CPLD、网络连接连接背板、电源和多个功能电路组成，
[0005]所述功能电路包括保护电路、采样电路和隔离电路；
[0006]所述CPLD的输入接口通过所述隔离电路连接到所述采样电路，所述采样电路上级联有保护电路；
[0007]所述CPLD通信接口连接至通信接口电路，当输入高压数字量信号时，经由CPLD处理后通过增强型SPI通信接口电路上传到网络控制器连接背板接口。
[0008]所述保护电路是16路IIOV保护电路，所述采样电路是16路IIOV采样电路，所述隔离电路是16路隔离电路。
[0009]所述增强型SPI通信接口在物理层所有从设备的MISO引脚均为三态设计。
[0010]所述增强型SPI通信接口在链路层每个从设备有一唯一地址，主设备通过地址先导码指定访问对应从设备。
[0011]优选地，所述采样电路是电阻、电容、二极管组成的采样电路。
[0012]优选地，所述保护电路是压敏电阻、热敏电阻组成的保护电路。
[0013]优选地，所述通信接口电路是高精度匹配电阻、电容组成的通信电路。
[0014]优选地，所述隔离电路是光耦、电阻组成的隔离电路。
[0015]一种如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块的输入方法，其步骤为:[0016]I)数字量输入信号首先进入保护电路，后进入采样电路中，所述采样电路对输入信号进行处理，同时采样电路上级联有保护电路；
[0017]2)经采样处理后通过隔离电路输入到CPLD中，该CPLD处理所述信号后通过通信接口电路上传到网络控制器的背板接口上；
[0018]3)根据增强型SPI接口进行数字量信号采集，完成输入。
[0019]所述保护电路用于抗过压或抗过流或抗浪涌。
[0020]本发明有益效果
[0021]本发明结构简单、成本低。采用高性能的复杂可编程逻辑器件对16路数字量输入信号进行实时并行处理，实时性高、可靠性高。本发明可以在任何具有增强型SPI接口的设备上直接使用，实用性、通用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明16路IIOV灵活IO站数字量输入模块优选实施例的电路原理框图；
[0023]图2是本发明灵活IO站数字量输入模块中保护电路、采样电路、隔离电路的具体电路图；
[0024]图3是本发明灵活IO站数字量输入模块中CPLD以及通信接口电路具体实施例的电路原理图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0026]本发明一实施例中CPLD模块电气参数设为:
[0027]输入高电平电压:75V?190V
[0028]输入低电平电压:(T30V
[0029]供电电压:24V
[0030]静电保护:6kV
[0031]浪涌保护:IOA
[0032]增强型SPI接口参数:
[0033]速率:500kbps
[0034]从设备数量:32个
[0035]本发明提供一种基于CPLD的灵活IO站数字量输入模块，该模块具有增强型SPI接口:即支持一主多从的SPI通讯架构。在物理层，所有从设备的MISO引脚均为三态设计，以便空闲时能够实现MISO总线释放功能；在链路层，每个从设备有一唯一地址，主设备通过地址先导码指定访问对应从设备。此IO站数字输入模块包括复杂可编程逻辑器件CPLD、电源及信号保护电路(抗过压、过流及浪涌)、信号采样电路、信号隔离电路和通信接口电路；所述复杂可编程逻辑器件(CPLD)输入接口通过隔离电路连接到采样电路，在采样电路上级联有保护电路，复杂可编程逻辑器件通信接口连接至通信接口电路。高压数字量(110V)输入信号先进入保护电路，即使用多重电阻及瞬态抑制二极管保护，后进入到采样电路中对输入信号进行处理，转化为IOmA左右的电流信号，然后通过隔离电路输入到复杂可编程逻辑器件中，经由复杂可编程逻辑器件(CPLD)处理后通过增强型SPI通信接口电路上传到IO站核心一网络控制器上的背板接口。从而实现网络控制器通过增强型SPI接口进行高压(110V)数字量信号采集工作。本发明的灵活IO站数字量输入模块可以支持实时并行处理16路IlOV数字量信号采集工作。
[0036]本发明的增强型SPI接口采用扩展SPI通信协议，其中的采样电路由电阻、电容、二极管组成；保护电路可以由压敏电阻、热敏电阻组成；所述复杂可编程逻辑器件采用低功耗高可靠的的CPLD组成；通信接口电路由高精度匹配电阻、电容组成；隔离电路由光耦、电阻组成。
[0037]图1是本发明具体实施例的电路原理框图；如图1所示，其为16路IlOV灵活IO站数字量输入模块的电路原理图；其具有增强型SPI接口，包括复杂可编程逻辑器件CPLD、16路110保护电路、16路IlOV采样电路、16路隔离电路和增强型SPI通信接口电路；所述复杂可编程逻辑器件输入接口通过16路隔离电路分别连接到16路IIOV采样电路，复杂可编程逻辑器件通信接口通过增强型SPI总线连接至网络通信控制器，在16路IlOV采样电路上级联有16路IlOV保护电路。IlOV数字量输入信号先进入保护电路，后进入到采样电路中对输入信号进行处理，然后通过隔离电路输入到复杂可编程逻辑器件中，经由复杂可编程逻辑器件处理后通过通信接口电路上传到网络控制器的背板接口上。从而实现网络控制器通过增强型SPI接口进行IlOV数字量信号采集工作。
[0038]图2是本发明灵活IO站数字量输入模块中保护电路、采样电路、隔离电路的具体电路图；如图所示，保护电路由压敏电阻、热敏电阻或瞬态抑制二极管组成，以进行过流、过压或者电流浪涌、电压浪涌的保护；采样电路有电阻、电容、二极管组成，输入电压信号经过电阻给采样电容充电，以便进行滤波及信号保持，之后经稳压二极管分压降压，流经发光二极管进行指示，进而输入到隔离电路；隔离电路由光耦、电阻组成，经过采样电路的驱动信号输入给隔离电路光耦输入端，满足光耦工作条件要求在隔离电路的输出端产生TTL电平信号。此部分电路为反向检测电路，输入IlOV高电平信号量时，隔离电路TTL输出低电平；输入IlOV低电平信号时，隔离电路TTL输出高电平。当然本发明的功能电路并不限于上述，本领域技术人员公知且基于本发明的技术方案能够采用多种方式实现。
[0039]图3是本发明灵活IO站数字量输入模块中CPLD以及通信接口电路具体实施例的电路原理图；其中可编程逻辑阵列采用低功耗、高可靠的CPLD组成，其接收从隔离电路输入的TTL电平信号，并通过扩展型SPI协议将数据传输给由精密电阻电容组成的匹配电路，进而传输给通信背板。在实际实现上，通信接口电路由低温票高精度电阻、电容组成。
[0040]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
【权利要求】
1.一种基于CPLD的IO站数字量输入模块，由复杂可编程逻辑器件CPLD、网络控制器连接背板、电源和多个功能电路组成，其特征在于， 所述功能电路包括保护电路、采样电路和隔离电路； 所述CPLD的输入接口通过所述隔离电路连接到所述采样电路，所述采样电路上级联有保护电路； 所述CPLD通信接口连接至通信接口电路，当输入高压数字量信号时，经由CPLD处理后通过增强型SPI通信接口电路上传到网络控制器连接背板接口。
2.如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块，其特征在于，所述保护电路是16路IlOV保护电路，所述采样电路是16路IlOV采样电路，所述隔离电路是16路隔离电路。
3.如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块，其特征在于，所述增强型SPI通信接口在物理层所有从设备的MISO引脚均为三态设计。
4.如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块，其特征在于，所述增强型SPI通信接口在链路层每个从设备有一唯一地址，主设备通过地址先导码指定访问对应从设备。
5.如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块，其特征在于，所述采样电路是电阻、电容、二极管组成的采样电路。
6.如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块，其特征在于，所述保护电路是压敏电阻、热敏电阻组成的保护电路。
7.如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块，其特征在于，所述通信接口电路是高精度匹配电阻、电容组成的通信电路。
8.如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块，其特征在于，所述隔离电路是光耦、电阻组成的隔离电路。
9.一种如权利要求1所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块的输入方法，其步骤为: 1)数字量输入信号首先进入保护电路，后进入采样电路中，所述采样电路对输入信号进行处理，同时采样电路上级联有保护电路； 2)经采样处理后通过隔离电路输入到CPLD中，该CPLD处理所述信号后通过通信接口电路上传到网络控制器的背板接口上； 3)根据增强型SPI接口进行数字量信号采集，完成输入。
10.如权利要求9所述的基于CPLD的IO站数字量输入模块，其特征在于，所述保护电路用于抗过压或抗过流或抗浪涌。
【文档编号】H03K19/0175GK103901795SQ201210575549
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月26日 优先权日:2012年12月26日
【发明者】杨洪陶, 武斌, 赵琛, 于佳晨, 黄东 申请人:中国科学院软件研究所