電子線路板卡自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)輸入輸出擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

陳茹

（陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院信息與工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712046）

電子線路板卡自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)輸入輸出擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

陳茹

（陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院信息與工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712046）

基于擴(kuò)展電路應(yīng)用需求，筆者采用了板卡自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)輸入輸出擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，結(jié)合多方面試驗(yàn)得出板卡的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于板卡的輸入和輸出接口較多，且型號(hào)各異，因此對(duì)板卡自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展帶來(lái)一定困擾這一結(jié)論。針對(duì)此問(wèn)題，本文從板卡輸入和輸出接口的型號(hào)著手，設(shè)計(jì)了自動(dòng)檢測(cè)輸入輸出擴(kuò)展電路，在實(shí)際運(yùn)用中取得了成功。

板卡檢測(cè)；檢測(cè)系統(tǒng)；擴(kuò)展電路；設(shè)計(jì)

由于板卡的輸入輸出端口眾多，這就使得檢測(cè)系統(tǒng)需擁有滿足板卡眾多輸出端口的輸入端口，此外當(dāng)前板卡輸入輸出端口型號(hào)眾多，使得當(dāng)前檢測(cè)系統(tǒng)難以滿足檢測(cè)需求。因此本文嘗試制作檢測(cè)硬件的擴(kuò)張模塊來(lái)滿足檢測(cè)需求。例如可以將單片機(jī)8個(gè)引腳做成開關(guān)量輸出，然后對(duì)其進(jìn)行編址就獲得了255路輸入。

因?yàn)榘蹇ǖ男盘?hào)種類很多，因此在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分類。主要的信號(hào)包括開關(guān)量信號(hào)、模擬小信號(hào)、周期信號(hào)、大信號(hào)等。通常信號(hào)采集卡的模擬量輸入、開關(guān)量輸入、輸出分別只有32路、16路、16路，遠(yuǎn)無(wú)法滿足檢測(cè)需求。設(shè)計(jì)擴(kuò)展電路，可以將所需檢測(cè)的信號(hào)分時(shí)輸入采集卡，最后再分時(shí)輸出到板卡，最終達(dá)到檢測(cè)目的。

1　輸入擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)分析

在對(duì)信號(hào)輸入擴(kuò)展系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可以發(fā)現(xiàn)拓展電路系統(tǒng)的控制信號(hào)是數(shù)據(jù)采集卡的開關(guān)量，數(shù)據(jù)選擇器將會(huì)接受板卡的控制信號(hào)，數(shù)據(jù)選擇器也會(huì)也會(huì)將信號(hào)進(jìn)行處理與分析，最后將信號(hào)數(shù)據(jù)輸送至開關(guān)量輸入端或是模擬量輸入端。一般來(lái)說(shuō)整個(gè)輸入擴(kuò)展電路由3個(gè)主要部分構(gòu)成，即數(shù)據(jù)選擇電路、譯碼電路以及信號(hào)處理電路，3個(gè)部分分別承擔(dān)著不同的信號(hào)接收、分析、處理與傳輸?shù)墓δ?。下面進(jìn)行分類闡述：

數(shù)據(jù)選擇電路主要是由四個(gè)數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成，由于數(shù)據(jù)選擇器種類繁多，因此在選擇時(shí)優(yōu)先考量到滿足系統(tǒng)應(yīng)用及擴(kuò)展需求，本次設(shè)計(jì)采用是型號(hào)為CC4051的8選1多路模擬開關(guān)，不過(guò)由于該型號(hào)的數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，包括了禁止端INH八選一的譯碼器及其配套的八個(gè)雙向模擬開關(guān)（型號(hào)：CMOS），此時(shí)當(dāng)禁止端INH輸出量為1時(shí)，那么八個(gè)雙向模擬開關(guān)都處于關(guān)閉狀態(tài)，但是當(dāng)禁止端INH輸出量為0時(shí)，那么輸出通道將由地址線進(jìn)行決定。需要注意的是，信號(hào)輸出通道屬于雙向通道，這意味著信號(hào)能夠利用該通道輸入與輸出。該系統(tǒng)中信號(hào)傳送范圍有著精確的控制，即滿足在VEE～～VCC丨。數(shù)據(jù)選擇電路的構(gòu)成基礎(chǔ)中，4片數(shù)據(jù)選擇器主要采用了三根型號(hào)一樣的地址線，即A5地址線、A6地址線與A7地址線，其中需要以八選一多路模擬器開關(guān)進(jìn)行控制，值得一提的是這四片數(shù)據(jù)選擇器擴(kuò)展面板上都可以滿足三十二路檢測(cè)信號(hào)的輸入要求，但是必須保證外部檢測(cè)信號(hào)的波動(dòng)范圍在4051VEE～～VCC丨范圍內(nèi)，所以說(shuō)需要借助于三針跳線器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中一針與5 V電平進(jìn)行串接，另外兩針分別與0V電平與VEE端口連接，這樣數(shù)據(jù)選擇電路基本設(shè)計(jì)完成。在應(yīng)用的時(shí)候，工作人員可以根據(jù)輸入信號(hào)的不同選擇連接端口。

譯碼電路主要由兩個(gè)譯碼器組成，本次設(shè)計(jì)采用的是型號(hào)為74LS138譯碼器。為了對(duì)兩個(gè)譯碼器進(jìn)行區(qū)分，將其命名為譯碼器A與譯碼器B。譯碼器A的板選信號(hào)有8個(gè)基本輸出量，這8個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)量都會(huì)輸入譯碼器B使能端以維持譯碼器B正常運(yùn)轉(zhuǎn)。不過(guò)編碼器B中輸出的四個(gè)信號(hào)可以保證數(shù)據(jù)選擇器片選信號(hào)的應(yīng)用，這樣才能夠?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)選擇器的工作范疇進(jìn)行明確劃分。整個(gè)譯碼電路中設(shè)置有A0～A4五根地址線，因此能夠充分滿足三十二片數(shù)據(jù)選擇器的選擇功能應(yīng)用。

信號(hào)處理電路一般也被人們稱為信號(hào)調(diào)理電路，該部分的主要作用是將其他部分輸入的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，在對(duì)板卡進(jìn)行檢測(cè)時(shí)工作人員也能夠利用簡(jiǎn)單的調(diào)整跳線組合實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)的預(yù)處理并且能夠?qū)⒉煌男盘?hào)輸送至不同的處理電路中。信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果信號(hào)為模擬大信號(hào)，就需要用運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，然后將模擬量通過(guò)采集卡輸入端口AIN0；如果信號(hào)檢測(cè)為模擬小信號(hào)，甚至信號(hào)極為微小，不能夠滿足A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化分辨率的需求，只是采集卡輸入端存在較大的誤差。因此需要將信號(hào)轉(zhuǎn)換前利用A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)化進(jìn)而使信號(hào)放大。如果檢測(cè)信號(hào)時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)為周期頻率信號(hào)，則需要優(yōu)先將其送入比較器同相端中［7］，然后將參考電平與比較器的負(fù)向端串接，這樣信號(hào)在輸入比較器后會(huì)經(jīng)過(guò)處理并形成不同頻率的方波輸出至轉(zhuǎn)換器中。但是如果輸入轉(zhuǎn)換器中的信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，那么需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器的處理計(jì)算出輸入信號(hào)的頻率。

在對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，那么需要將開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理，利用六施密特觸發(fā)器（型號(hào)：CMOS）使用CD40106整形，才能夠輸入值采集卡開關(guān)量輸入端DIN0。

2　電子線路板卡自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)輸出擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

電子線路板卡［8］自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)輸出擴(kuò)展電路，主要包括兩個(gè)部分，即開關(guān)量輸出擴(kuò)展與模擬量輸出擴(kuò)展，輸出擴(kuò)展電路的功能就是分時(shí)將控制信號(hào)（模擬量、開關(guān)量）送至板卡中。

如圖1所示，開關(guān)量輸出擴(kuò)展系統(tǒng)的示意圖。擴(kuò)展電路主要包括兩個(gè)部分，即鎖存電路與譯碼電路；鎖存器主要通過(guò)八片74LS373予以實(shí)現(xiàn)，地址線A15體育鎖存器LE端相連接，如果A15從高電平跳轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候，代表數(shù)據(jù)已經(jīng)被鎖存。譯碼電路的主要組成部分為九個(gè)3-8譯碼器，譯碼器0的所有8個(gè)輸出均當(dāng)作片選信號(hào)，分別與譯碼器1、譯碼器2、譯碼器3、譯碼器4、譯碼器5、譯碼器6、譯碼器7、譯碼器8的使能端連接在一起，以此對(duì)8個(gè)譯碼器的選通進(jìn)行合理的控制。選通的譯碼器主要按照地址線A12-A14值，判斷相應(yīng)的輸出信號(hào)應(yīng)當(dāng)選為高電平或者低電平，然后再將這一信號(hào)送入至鎖存器輸入端。

圖1　開關(guān)量輸出擴(kuò)展系統(tǒng)示意圖

如圖2所示，模擬量輸出擴(kuò)展系統(tǒng)示意圖，多路開關(guān)與譯碼電路是組成擴(kuò)展電路的主要部分。多路開關(guān)主要選取7片八選一多路模擬開關(guān)CC4051，譯碼電路主要選取兩片3-8譯碼器74LS138。在譯碼電路輸出的選通信號(hào)作用的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)多路開關(guān)將模擬信號(hào)分時(shí)送至板卡中。

圖2　模擬量輸出擴(kuò)展系統(tǒng)示意圖

3　電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)

電子線路板卡自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于電壓/頻率轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，主要選用LM331。LM331，實(shí)質(zhì)上就是一種集成芯片，由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)制造，其性價(jià)比十分高，LM331可以用于A/D轉(zhuǎn)換器、精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、長(zhǎng)時(shí)間積分器、線性頻率調(diào)制解調(diào)以及其他相關(guān)器件中。LM331的優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：1）LM331的線性度比較好，其最大非線性失真度＜0.01%；2）LM331的動(dòng)態(tài)范圍較寬，在10 kHz滿量程頻率下100 dB為L(zhǎng)M331的最小值；3）LM331的工作頻率范圍較寬，其工作頻率范圍處于1 Hz～10 kHz之間；4）LM331的功耗小，LM331在5 V下典型值主要為15 mW；5）LM331的電源范圍較寬，處于4～40 V范圍內(nèi)，同時(shí)LM331還具備一定的電源短路保護(hù)功能。

電子線路板卡自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要選取LM331來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓/頻率轉(zhuǎn)換功能，具體如圖3所示。輸入脈沖f在處于下降狀態(tài)的時(shí)候，沿著C14、R28構(gòu)成的微分電路，導(dǎo)致負(fù)脈沖產(chǎn)生。對(duì)電位器RW3進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，得到Rs=RW3+R32=14.2 kΩ，因此V0=fi×10-3V。

4　線路板功能測(cè)試

4.1測(cè)試控制板

控制板主要包括保護(hù)開關(guān)電器與控制開關(guān)電氣的核心處理單元，還有外圍輔助電路，例如：通信接口、液晶、鍵盤以及信號(hào)調(diào)理、控制輸出等多個(gè)單元電路［9］。保護(hù)器在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)三相電流互感器輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按照參數(shù)的具體設(shè)置，發(fā)揮自身的保護(hù)功能。在對(duì)線路板進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，不需要對(duì)互感器進(jìn)行測(cè)量，但是需要模擬三相電源，同時(shí)還確保輸出的精確度。

圖3　LM331電壓/頻率轉(zhuǎn)換電圖示意圖

4.2測(cè)試電源板

測(cè)試電源板，主要包括反映電路特性的電壓波形與多個(gè)電源輸出電壓［10］。電源板中包含了很多參考地，測(cè)試點(diǎn)可以劃分為弱電與強(qiáng)電，強(qiáng)電的部分峰值＞300 V。為了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，需要隔離測(cè)量參考地與這些參考地；除此之外，當(dāng)個(gè)別信號(hào)頻率處于二十多千赫茲，而且不符合相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形時(shí)，代表其為斬波信號(hào)，且占空比大約在10%左右。所以，對(duì)于電源板的測(cè)試，需要采用直流模擬量隔離模塊，同時(shí)還需要使用到快變模擬量隔離模塊。電源板測(cè)試過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)加載數(shù)字隔離脫扣控制有效電平，對(duì)脫扣電壓波形進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察，檢測(cè)脫扣裝置中的電磁鐵功率是否充足，確保脫扣動(dòng)作可以穩(wěn)定進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)不同連接模擬通道，對(duì)經(jīng)過(guò)處理的測(cè)試參數(shù)進(jìn)行讀取，然后對(duì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析。

5　結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)電路輸入輸出進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，使得電子板卡的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ν瓿蓪?duì)更多類型的電子板卡進(jìn)行檢測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)中，監(jiān)測(cè)信息少，檢測(cè)不全面的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中的擴(kuò)張電路，以其較強(qiáng)的適應(yīng)性、更加簡(jiǎn)便的操作性，在多個(gè)電子企業(yè)電子板卡自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用和推廣。但不可否認(rèn)的是，該擴(kuò)展電路穩(wěn)定性有待改進(jìn)。在電子板卡的檢測(cè)系統(tǒng)中，我們?nèi)孕璨粩嗌钊胙芯刻剿?，使板卡的自?dòng)檢測(cè)系統(tǒng)更加完善。

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Electronic circuit board automatically detects the system input and output expansion circuit design

CHEN Ru
（Information and Engineering，Shaanxi Institute of International Trade&Commerce，Xianyang 712046，China）

Based on extended circuit application requirements，the author uses the board automatic monitoring technology of input and output expansion circuit design were analyzed，combined with the various experiments，it was found that the board of the automatic detection technology has been widely used，but in practical application，because of the board's input and output interface more and different types，so the application and development of automatic detection system for board bring some trouble this conclusion.In view of this problem，this paper designs the circuit of automatic detection of input and output from the model of board input and output interface.

board testing；detection system；extension circuit；design

TN99

A

1674－6236（2016）12-0121-03

2015-07-01稿件編號(hào)：201507014

陜西省科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014K08-37）

陳茹（1980—），女，陜西禮泉人，講師。研究方向：電子技術(shù)。