基于CPLD技术的PC104总线多功能扩展卡设计

1. 引言
目前，随着军事、工业、医疗、体育等领域的控制系统逐渐向着嵌入式、小型化、集成化方向发展，以嵌入式主板为主控模块的嵌入式控制系统获得了长足发展。PC104总线嵌入式主板以尺寸小、低功耗、易扩展、高集成度、高可靠性以及开发环境优异（多种操作系统支持）等优点在这些领域获得广泛应用。但是，在采用PC104总线嵌入式主板设计控制系统时，PC104总线扩展板卡种类不多且功能比较单一，设计人员往往需要选择各种不同功能的板卡组合使用，既造成了资源的浪费及设计成本的提高，又导致了控制系统的体积增加及可靠性降低。为此，我们设计了这款集成度较高的PC104总线多功能扩展卡。
该多功能扩展卡是针对国家体育总局奥运科技攻关项目“帆板摇帆训练测试系统研究”设计的。采用ALTERA公司的ACEX1K系列复杂可编程数字逻辑器件（CPLD）――EP1K50TI144-4作为主控芯片，集成了8路12位高速模拟量输入、2路12位模拟量输出、12路带光电隔离的24V开关量输入/输出及一个正交解码电路。设计时的通用性考虑使其可作为各种型号的PC104总线嵌入式主板（如3寸主板PCM-5820）的扩展卡。主板CPU可通过总线直接访问多功能扩展卡的各个功能电路，访问协议与台湾研华的PCL-818HG、PCL-727板卡兼容。

2. 基于CPLD技术的PC104总线多功能扩展卡的硬件设计
多功能扩展卡的硬件设计包括电路板硬件设计和CPLD内部硬件设计。
2.1 多功能扩展卡的电路板硬件设计
多功能扩展卡的电路板硬件设计包括：主控电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、带光电隔离的开关量输入/输出电路及正交解码输入电路。系统原理框图如图1所示。

图 1 多功能扩展卡电路板硬件设计系统原理框图
2.1.1主控电路
主控电路由一片CPLD芯片及其编程配置电路（JTAG）、电压转换电路组成。
CPLD芯片采用ALTERA公司的ACEX1K系列的复杂可编程数字逻辑器件――EP1K50TI144-4。该芯片具有在线可编程功能，内部集成逻辑可通过编程配置电路（JTAG）在线下载，保证了设计的灵活性。电压转换电路提供芯片的工作电压2.5V（内核电压）和3.3V（I/O电压）。
2.1.2 模拟量输入电路
多功能扩展卡提供了8路单端模拟量输入，模拟量输入电路由一片12位串行A/D转换器TLC2543及8路前端放大电路组成。电路原理图如图2（前端放大电路只介绍一路）所示。前端放大电路的功能是将-10~10V的模拟信号转换成0~5V的模拟信号。

图2 多功能扩展卡模拟量输入电路
2.1.3 模拟量输出电路
多功能扩展卡提供了2路模拟量输出，模拟量输出电路由两片12位并行D/A芯片TLV5619及后端放大驱动电路组成。后端放大电路的功能是将D/A芯片的0~2V的输出信号放大到0~10V，并提供一定的电路驱动能力。
2.1.4 开关量输入/输出电路
多功能扩展卡提供了12路低电平有效、带光电隔离的24V开关量输入/输出，光电隔离芯片采用TLP281-4。
2.1.5 正交解码输入电路
正交解码输入电路是一片单电源、四路差分输入接收芯片SN75175。接收来自交流伺服电机驱动器的两路正交差动光电编码器输出信号，并将其转换成TTL电平，保证了高速、高可靠性的远距离信号传输。