張彥文

【摘 要】本文給出了一個(gè)在以計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，采用中斷處理方法實(shí)現(xiàn)輸入狀態(tài)量變化自動(dòng)檢測(cè)的電路的設(shè)計(jì)方案。該電路可以自動(dòng)檢測(cè)發(fā)生變化的狀態(tài)位，對(duì)發(fā)生變化的狀態(tài)位的序號(hào)進(jìn)行編碼，并以中斷請(qǐng)求的方式，將變化狀態(tài)位的序號(hào)編碼通知處理器。處理器根據(jù)狀態(tài)位的序號(hào)編碼，可快速確定變化的狀態(tài)量信號(hào)，從而可極大地提高處理器狀態(tài)量檢測(cè)的效率。電路簡單、實(shí)用，具有很高的使用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng)；狀態(tài)量快速處理；自動(dòng)檢測(cè)；中斷

0 前言

工業(yè)或礦業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜、多元的產(chǎn)業(yè)，涉及到多種不同的生產(chǎn)過程。如何有效地管理各個(gè)過程與系統(tǒng)，需要將生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)互動(dòng)的方式傳遞給現(xiàn)場設(shè)備操作人員及生產(chǎn)管理人員，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的規(guī)劃、控制和優(yōu)化。如何快速的采集系統(tǒng)中大量設(shè)備的運(yùn)行及現(xiàn)場工況狀態(tài)量信號(hào)，是以計(jì)算機(jī)為核心的工業(yè)、礦業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)重要問題。常用的處理方法是采用CPU處理器毫秒級(jí)的計(jì)時(shí)器中斷，周期性的檢測(cè)狀態(tài)量的變化與否，這將會(huì)消耗大量的處理器時(shí)間。因?yàn)槎鄶?shù)情況下狀態(tài)量變化的頻度較低，CPU處理器的中斷處理檢測(cè)到狀態(tài)量變化的機(jī)會(huì)也是較低的，導(dǎo)致CPU處理器多數(shù)時(shí)間都在進(jìn)行無用的狀態(tài)巡檢，浪費(fèi)了大量的處理器時(shí)間。

本文設(shè)計(jì)了一種以計(jì)算機(jī)中斷處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸入狀態(tài)量變化自動(dòng)檢測(cè)的數(shù)字輸入電路，該電路被稱之為“變化檢測(cè)器”。電路的主要功能為當(dāng)外部接點(diǎn)的狀態(tài)量變化時(shí)，“變化檢測(cè)器”向CPU處理器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求，并將變化的狀態(tài)量的位序號(hào)進(jìn)行編碼，將編碼發(fā)送給CPU處理器。CPU處理器根據(jù)位序號(hào)編碼，可快速確定變化的狀態(tài)量信號(hào)，從而極大地提高CPU處理器的處理效率。如在16路狀態(tài)量信號(hào)中，第6位狀態(tài)位發(fā)生了變化，“變化檢測(cè)器”電路產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，并對(duì)發(fā)生變化的狀態(tài)位的序號(hào)“0101”（二進(jìn)制）進(jìn)行編碼。

1 電路邏輯設(shè)計(jì)

“變化檢測(cè)器”電路可自動(dòng)檢測(cè)外部接點(diǎn)的狀態(tài)量改變與否。當(dāng)檢測(cè)到外部狀態(tài)量發(fā)生改變時(shí)，將變化的狀態(tài)量的位序號(hào)信息進(jìn)行編碼，并主動(dòng)向CPU處理器發(fā)出外部中斷請(qǐng)求，CPU處理器響應(yīng)中斷請(qǐng)求。中斷處理程序根據(jù)中位序號(hào)編碼信息，可以快速地確定變化的狀態(tài)量的位置。

理論上講，“變化檢測(cè)器”的原理較為復(fù)雜，且要將這個(gè)原理變成實(shí)用的應(yīng)用電路，需要有多種功能的邏輯部件支持。這些功能部件包括狀態(tài)位邊沿變化檢測(cè)用“鎖存器”和“異或門”電路；狀態(tài)位同時(shí)變化的優(yōu)先級(jí)判別電路；狀態(tài)位變化保持寄存器和位序號(hào)編碼電路；中斷發(fā)生電路；接點(diǎn)狀態(tài)量變化與CPU處理器讀取訪問同時(shí)發(fā)生時(shí)的調(diào)停判別電路等。

圖1給出的是可進(jìn)行16路外部接點(diǎn)狀態(tài)量變化自動(dòng)檢測(cè)電路“變化檢測(cè)器”的硬件原理圖。該電路是以可編程邏輯器件PAL22V10為核心，結(jié)合RAM存儲(chǔ)器 IDT6167、多路選擇器74HC257、與門器件74HC00、或門器件74HC32、D鎖存器74HC74、JK鎖存器74HC109、驅(qū)動(dòng)電路74HC244等器件構(gòu)成的。其工作原理如下：外部接點(diǎn)狀態(tài)ID0～I(xiàn)D15經(jīng)過兩片74HC257將16個(gè)狀態(tài)信號(hào)分成兩個(gè)8位信號(hào)組，在IC4器件（PAL22V10）的時(shí)序控制下，與存儲(chǔ)在RAM器件IC1中接點(diǎn)的“原”狀態(tài)逐位比較。當(dāng)比較結(jié)果不同時(shí)，IC4器件則停止比較，保存當(dāng)前變化狀態(tài)位的位序號(hào)C1～C4于數(shù)據(jù)緩存器IC5（74HC244），并激活中斷鎖存器IC10A（74HC109），產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。當(dāng)CPU處理器響應(yīng)中斷后，發(fā)出數(shù)據(jù)讀取命令/CDRD，從數(shù)據(jù)緩存器IC5中讀出變化的位序號(hào)CD0～CD7，同時(shí)由鎖存器件IC11（74HC74）構(gòu)成的中斷應(yīng)答電路，來清除中斷鎖存器IC10A的中斷請(qǐng)求，重新啟動(dòng)IC4器件，繼續(xù)進(jìn)行狀態(tài)位比較。IC4是“變化檢測(cè)器”電路的控制核心，電路檢測(cè)和控制時(shí)序是由此器件內(nèi)部邏輯產(chǎn)生。IDT6167是16Kx1Bit的CMOS靜態(tài)RAM，存儲(chǔ)外部接點(diǎn)的“原”狀態(tài)。D鎖存器74HC74、JK鎖存器74HC109構(gòu)成中斷請(qǐng)求電路和應(yīng)答電路。

該電路由常用器件組成。其中用到了兩個(gè)關(guān)鍵器件。一個(gè)是CMOS靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器IDT6167。IDT6167是一個(gè)高速靜態(tài)存儲(chǔ)器RAM，容量為16Kx1Bit，訪問速度為15ns，完全可以滿足狀態(tài)量變化的快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)要求。另外，IDT6167的輸入、輸出都是TTL電平兼容，單5V電源供電，可極大的減化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。IDT6167存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度為1位，非常適合于存儲(chǔ)以“位”為單位來表示的狀態(tài)量，因此，在“變化檢測(cè)器”電路中，它被用作狀態(tài)量的“記憶”單元。由于 “變化檢測(cè)器”電路具有16路狀態(tài)量的檢測(cè)能力，因此，IDT6167僅需要配置四根地址線；另一個(gè)器件為可編程器件PAL22V10，它是“變化檢測(cè)器”電路的核心。PAL22V10的編程邏輯內(nèi)含有一個(gè)5位計(jì)數(shù)器、8選1多路選擇器、鎖存器等，以產(chǎn)生“變化檢測(cè)器”電路的控制邏輯和時(shí)序。IDT6167存儲(chǔ)器的讀寫、變化比較、中斷產(chǎn)生等操作，都是在可編程器件PAL22V10的邏輯控制下自動(dòng)完成。其內(nèi)部邏輯使用硬件描述語言ABEL描述如下。

MODULE PLD2 FLAG ‘-JA：，-R3

TITLE ‘Change Detector

“DECLARTIONS

SPLD2 DEVICE ‘P22V10；

CLK，RST，EN，Y，N，P PIN 1，2，3，4，14，15；

X7，X6，X5，X4，X3，X2，X1，X0 PIN 5，6，7，8，9，10，11，13；

C4，C3，C2，C1，C0，SAV，NDI，CD PIN 19，20，21，22，23，16，17，18；

RESET，PRESET NODE 25，26；

C4，C3，C2，C1，C0，NDI，CD ISTYPE ‘POS；

SAV ISTYPE ‘NEG；

H，L，X，Z，CK = 1，0，.X.，.Z.，.C.；

CNT = [C3，C2，C1]；

ACNT = [C4，C3，C2，C1，C0]；

EQUATION

RESET = ！RST；

CD ：= ！C0 & ！SAV & （（！X0 & （CNT == 0） # ！X1 & （CNT ==1） # ！X2 & （CNT == 2） # ！X3 & （CNT == 3） # ！X4 & （CNT == 4） # ！X5

& （CNT == 5） # ！X6 & （CNT == 6） # ！X7 & （CNT ==7） ） & Y & P

# （X0 & （CNT == 0） # X1 & （CNT == 1） # X2 & （CNT == 2） # X3 & （CNT == 3） # X4 & （CNT == 4） #X5

& （CNT == 5） # X6 & （CNT == 6） # X7 & （CNT == 7） ） & ！Y & N）；

NDI ：= X0 & （CNT == 0） # X1 & （CNT == 1） # X2 & （CNT == 2） # X3 & （CNT == 3） # X4 & （CNT == 4） # X5 & （CNT == 5） # X6

& （CNT == 6） # X7 & （CNT == 7） ；

！SAV ：= C0 & C1 & C2 & C3 & C4 # ！SAV；

！C0 ：= ！EN & ！CD & C0 # （EN # CD） & ！C0；

！C1 ：= ！EN & ！CD & C0 & C1 # ！C0 & ！C1 # （EN # CD） & ！C1；

！C2 ：= ！EN & ！CD & C0 & C1 & C2 # ！C0 & ！C2 # ！C1 & ！C2 # （EN # CD） & ！C2；

！C3 ：= ！EN & ！CD & C0 & C1 & C2 &C3 # ！C0 & ！C3 # ！C1 & ！C3 # ！C2 & ！C3 # （EN # CD） & ！C3；

！C4 ：= ！EN & ！CD & C0 & C1 & C2 & C3 & C4 # ！C0 & ！C4 # ！C1 & ！C4 # ！C2 & ！C4 # ！C3 & ！C4

# （EN # CD） & ！C4；

從上述的ABEL描述語言編寫的邏輯代碼可以看出，PAL22V10的控制邏輯較為復(fù)雜。圖2為PAL22V10產(chǎn)生的電路控制時(shí)序圖。其中C1～C4位計(jì)數(shù)器信號(hào)，/SAV位初始狀態(tài)存儲(chǔ)標(biāo)志，NDI為變化狀態(tài)位的當(dāng)前值，CD為狀態(tài)位變化檢出信號(hào)，INT（/EN）為中斷請(qǐng)求（終止計(jì)數(shù)器）信號(hào)，/WE為IDT6167寫入信號(hào)，/ACK為中斷應(yīng)答信號(hào)。

2 電路動(dòng)作分析

在圖1所示的邏輯圖中，PAL22V10內(nèi)部計(jì)數(shù)器C1～C4在狀態(tài)檢查中起著非常重要的作用。按照PAL22V10內(nèi)部計(jì)數(shù)器的狀態(tài)位序號(hào)，逐次掃描各個(gè)輸入狀態(tài)位，以檢測(cè)每個(gè)外部接點(diǎn)的“原”狀態(tài)（存儲(chǔ)在RAM中）與“新”狀態(tài)的差異。

從圖2時(shí)序可以看出，計(jì)數(shù)器C1～C4對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值（0～15），分別對(duì)應(yīng)了16個(gè)狀態(tài)位序號(hào)。當(dāng)/RST復(fù)位后，C1～C4從0開始計(jì)數(shù)，直至計(jì)數(shù)值達(dá)到15的這段時(shí)間內(nèi)，電路將外部接點(diǎn)的16個(gè)狀態(tài)的初始值寫入到IDT6167存儲(chǔ)器中。此后，/SAV信號(hào)變?yōu)榈碗娖健癓”，終止IDT6167的寫入操作。如果某個(gè)狀態(tài)位發(fā)生了改變，狀態(tài)位變化檢出信號(hào)CD變?yōu)楦唠娖剑诵盘?hào)置位IC10A鎖存器，向CPU處理器產(chǎn)生中斷信號(hào)INT和存儲(chǔ)器寫入信號(hào)/WE，將變化的狀態(tài)位的“新”值寫入IDT6167存儲(chǔ)器中，并產(chǎn)生/EN信號(hào)，停止PAL22V10內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。此時(shí)，PAL22V10內(nèi)部計(jì)數(shù)器C1～C4的內(nèi)容就是變化狀態(tài)位的序號(hào)編碼。

CPU應(yīng)答中斷時(shí)，通過/CDRD信號(hào)，使能IC5，讀取變化的位序號(hào)編碼CD0～CD7后，復(fù)位IC11A鎖存器，發(fā)出中斷應(yīng)答信號(hào)/ACK，清除器件IC10A的中斷請(qǐng)求信號(hào)INT，重新啟動(dòng)PAL22V10內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)動(dòng)作。由于利用位序號(hào)編碼CD0～CD7就可以知道變化狀態(tài)位的具體位置，所以軟件處理就相當(dāng)容易了。IC1器件IDT6167具有16Kx1Bit的存儲(chǔ)容量。因?yàn)椤白兓瘷z測(cè)器”電路的處理能力為16路狀態(tài)量，所以僅使用了IDT6167器件的16個(gè)物理存儲(chǔ)單元，用于保存外部接點(diǎn)的“原”狀態(tài)信息。PAL22V10內(nèi)部計(jì)數(shù)器C1～C4用作IDT6167存儲(chǔ)器的地址線。在進(jìn)行狀態(tài)位比較操作時(shí)，計(jì)數(shù)器C1～C4的內(nèi)容決定了當(dāng)前正在進(jìn)行比較的狀態(tài)位的序號(hào)。從IDT6167存儲(chǔ)器中讀出C1～C4對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位“原”信息DO，與提供給IC4器件的外部狀態(tài)信息X0～X7，進(jìn)行對(duì)位比較。每次比較操作，都會(huì)發(fā)生一次存儲(chǔ)器讀取，所以，IDT6167存儲(chǔ)器發(fā)生讀取操作遠(yuǎn)多于寫入操作的次數(shù)。IDT6167存儲(chǔ)器的寫入操作只在下列的兩種情況下才會(huì)發(fā)生。一是，系統(tǒng)發(fā)生復(fù)位后，直至/SAV信號(hào)變?yōu)榈碗娖健癓”前，16個(gè)狀態(tài)位初始信息的寫入；二是，當(dāng)電路檢出變化的CD信號(hào)變?yōu)楦唠娖健癏”時(shí)，發(fā)生變化的狀態(tài)位對(duì)應(yīng)的RAM存儲(chǔ)單元的“新”狀態(tài)位信息的寫入。IC2和IC3是多路選擇器，由PAL22V10內(nèi)部計(jì)數(shù)器的C4信號(hào)進(jìn)行控制。當(dāng)計(jì)數(shù)器的C4信號(hào)為“L”時(shí)，將外部接點(diǎn)的ID0～I(xiàn)D7提供給IC1的X0～X7。當(dāng)計(jì)數(shù)器的C4信號(hào)為“H”時(shí)，將外部接點(diǎn)的ID8～I(xiàn)D15提供給IC1的X0～X7。CPU響應(yīng)中斷時(shí)，通過讀取CD0～CD7可獲得變化狀態(tài)位的序號(hào)信號(hào)，也可以通過ID0～I(xiàn)D15，直接獲得外部接點(diǎn)的狀態(tài)信息。這兩個(gè)信息結(jié)合起來，可以快速確定變化狀態(tài)位的當(dāng)前狀態(tài)值。

3 應(yīng)用接口說明

“變化檢測(cè)器”作為外部接點(diǎn)變化自動(dòng)檢測(cè)的核心電路，具體使用時(shí)，需要提供必要的接口電路和控制信號(hào)。這些信號(hào)包括：

（1）輸入信號(hào)

復(fù)位信號(hào)/RST；

時(shí)鐘信號(hào)CLK；

讀信號(hào)/CDRD；

外部狀態(tài)信號(hào)ID0～I(xiàn)D15。

（2）輸出信號(hào)

中斷請(qǐng)求信號(hào)INT；

變化位的序號(hào)編碼信號(hào)CD0～CD7。

特別要說明的是，當(dāng)使用“變化檢測(cè)器”時(shí)，在不同的應(yīng)用場合，要求電路響應(yīng)外部接點(diǎn)狀態(tài)變化引發(fā)的中斷的情形也會(huì)差異。這些可能的情形包括：接點(diǎn)ON（合）時(shí)請(qǐng)求中斷；接點(diǎn)OFF（分）時(shí)請(qǐng)求中斷；接點(diǎn)ON/OFF（合/分）時(shí)請(qǐng)求中斷；為此，“變化檢測(cè)器”設(shè)置了跳線JP+和JP-。按照?qǐng)D3的設(shè)置，就可以使電路滿足不同應(yīng)用場合下，狀態(tài)量檢測(cè)的中斷要求。

4 結(jié)論

本文給出的“變化檢測(cè)器”都是由常用的、廉價(jià)的基本電路組成。電路邏輯清晰，實(shí)現(xiàn)容易，且設(shè)計(jì)思路獨(dú)特新穎，具有極高的技術(shù)參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。雖然電路設(shè)計(jì)僅能處理16路外部接點(diǎn)狀態(tài)量，但依據(jù)此電路的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行少許更改，就能具備對(duì)32路、64路外部狀態(tài)量的處理能力?！白兓瘷z測(cè)器”在集散控制系統(tǒng)采集終端研制中，取得了良好的應(yīng)用效果。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]