[发明专利]微机系统I/O总线光电同步隔离方法

说明书

本发明涉及微机与外围设备信号传输过程中的光电隔离技术，属于微机控制技术领域。

在已有技术中，是对外围设备的每一通道分别进行隔离的，对于数字信号、开关量、脉冲量的隔离大多采用光电耦合器件来完成，模拟信号隔离一般使用隔离放大器进行隔离。隔离的目的在于把计算机或者计算机和外围通道系统一起同现场隔开，使计算机或整个控制系统的所有电路成为一个同一供电系统，避免同现场噪声信号共用参考点，以保证微机系统处于理想的电气环境中运行，确保系统的安全可靠。

由于过程通道系统同计算机系统共用一电源系统，因此，通道接口系统的故障和受到的干扰同样会引入计算机。在采用通用计算机作主机的系统设计中，由于通道系统是从主机的输入输出总线引伸出去的，故原主机系统性能受到影响，使主机的可靠性降低。

为了克服上述通道隔离的不足之处，本发明采取的方法是用光电耦合器将计算机系统总线与外围通道总线之间进行电气上的隔离，并在工作上同步。这里所说的同步是指计算机在执行对外围通道的I/O操作时，指令周期将延长，以满足光电耦合器的最高工作频率的要求。这种用于主机系统同过程通道系统之间的总线隔离方法，设计简便，所用元件和线路少，I/O通道工作速度提高。它能使选用通用计算机作主机的系统保持了原机设计的性能，也能使采用CPU芯片设计的计算机系统的CPU级的可靠性得到提高，杜绝了因现场或通道串入的干扰和故障。由于主机运行可靠，对过程通道的故障可即时由主机纠正和处理。在共模电压高而交杂的现场，还可以采用两次隔离，如对上述模拟通道的隔离，可对过程通道进行适当的保护。

图1是微机系统I/O总线光电隔离框图;

图2是I/O同步等待信号产生电路框图。

用光电耦合器将计算机系统I/O总线与外围通道总线之间进行电器上的隔离，如图1所示，它们包括三类总线的隔离;a、数据总线隔离DB-（I/O）DB;b、地址总线隔离AB-（I/O）AB;C控制总线隔离CB-（I/O）CB，由于数据总线是双向的，所以I/O数据的读和写是分别隔离的，这就是说，对于一个具有8位数据线的I/O数据总线隔离，就需要有16只光电耦合器1。地址总线是单向的，因此只需根据地址线的数目决定采用相应数目的光电耦合器1。控制总线隔离所需光电耦合器1的数量由控制线的数量及传输方向来决定。

光电耦合器1用74LS244驱动，74LS244可提供或吸收20mA电流，足以驱动光电耦合器1的发光二极管。为了使总线空闲时，光电耦合器处于非导通状态，故只在需进行I/O读些操时74LS244才被导通，完成光电转换。

一般CPU的I/O周期的时间为1～2μS而光电耦合器1光电转换开始到信号有效的时间为10～20μS，甚至更长，这是由于光电耦合器1的受光器存在转换延迟，即信号损失。因此，只有当光电耦合器1的输入侧信号足够慢，即电平持续时间足够长，才能在输出端采集到有效信号。为了能使计算机系统I/O总线信号有效的通过光电耦合器1，我们可以利用I/O等待信号的作用，使计算机输入输出指令执行周期延长到光电耦合器1能工作的最高频率所需用的时间，也就是说，总线信号的延迟可以通过I/OCHRADY信号使CPU插入多个等待周期来解决。

图2所示为I/O同步等待信号产生电路框图。当通道地址信号和地址允许信号有效时，产生外设选通信号。当外设选通信号有效且有I/O读或写信号时，即启动计数器，产生一个I/OCHRADY低电平信号。低电平的宽度由计算器预置，只要适当选择计数器预置值，使产生的低电平I/OCHRADY信号通知CPU在I/O读（写）周期插入相应的等待时间，以保正CPU在数据、地址和控制总线上的信号，经光电耦合器1转换隔离后有效地传输。

本发明的I/O总线同步隔离技术，其设计简捷，所用元件和线路数量少，微机总线同步输入输出，可以提高微型计算机工业控制和监测的可靠性。对于已处在运行中的微机控制系统，因现场干扰而产生故障时，也可以在不改变原设计系统的情况下，只要在其I/O总线上加入这种I/O总线的同步隔离电路就可以达到计算机系统安全运行的目的。