I/O擴(kuò)展電路GM8166在嵌入式鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用

鍋爐控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的大慣性、大滯后、多變量的過程控制系統(tǒng)，涉及到壓力、溫度、水位等多個(gè)物理參數(shù)的檢測(cè)與控制，需要同時(shí)控制循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、加熱裝置、自動(dòng)排除故障等。該系統(tǒng)有32路數(shù)字輸入信號(hào)、32路數(shù)字輸出信號(hào)、11路模擬量輸入信號(hào)和8路模擬量輸出信號(hào)，因此所需要的硬件電路多，控制復(fù)雜，筆者以atmel公司的at91rm9200為處理器設(shè)計(jì)出了一款具有32位高速數(shù)據(jù)處理能力，處理速度可達(dá)200mi/s，并配有l(wèi)cd、觸摸屏、sd卡、cpld、音頻、網(wǎng)絡(luò)、usb及串行接口等多項(xiàng)功能的嵌入式工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，遇到了i/o口嚴(yán)重不足的問題，雖然at91rm9200具有122個(gè)通用i/o口，但嵌入式系統(tǒng)本身的各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)占用了大量的i/o口，剩下用于鍋爐控制的已不多，所以需要進(jìn)行i/o口擴(kuò)展，一般采用的解決方案是利用74hc573、74ls164、74ls165、82c55等電路來實(shí)現(xiàn)i/o擴(kuò)展，但使用上述器件存在pcb面積增大、成本高等缺點(diǎn)，這里筆者采用兩個(gè)成都國(guó)騰微電子有限公司開發(fā)的gm8166電路，通過串行輸入并行輸出、并行輸入串行輸出轉(zhuǎn)換即可完成鍋爐32路樹數(shù)字輸入和32路數(shù)字輸出控制的i/o口擴(kuò)展。

2 gm8166的主要特點(diǎn)

gm8166通過串行輸入并行輸出，并行輸入串行輸出，并入并出轉(zhuǎn)換完成i/o口的擴(kuò)展，最高工作頻率為10mhz，用于配合mcu完成對(duì)多個(gè)外圍電路的控制和信號(hào)采集工作。同時(shí)可接入spi總線，滿足了更多需求，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了工作溫度范圍要求和抗電磁干擾能力，完全適用于工業(yè)領(lǐng)域。

cm8166的主要特性如下：

提供32位并行數(shù)據(jù)i/o口，可通過模式選擇實(shí)現(xiàn)8位、16位、24位、32位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也可通過普通i/o口模擬串口實(shí)現(xiàn)0－32任意位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；

既可實(shí)現(xiàn)串并/并串轉(zhuǎn)換，又可實(shí)現(xiàn)并行口切換輸入/輸出功能；

所有i/o口均內(nèi)接上拉電阻；

鎖存輸出，有輸出鎖存控制端；

有級(jí)聯(lián)輸入/輸出端，方便實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)；

具備spi總線接口，可方便地接入spi總線；

與ttl兼容；

工作電壓為2.7v－6.5v；

最大輸出電流為10ma，最高工作頻率為10mhz；

工作環(huán)境溫度范圍為－40℃－85℃，滿足工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3 gm8166的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和引腳功能

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

gm8166由控制模塊、移位寄存器模塊和i/o口模塊組成，圖1為gm8166的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

3.2 引腳功能

gm8166采用qfp52和sdip52兩種封裝形式。用戶可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。gm8166的引腳功能說明如下：

reset：復(fù)位信號(hào)，高電平復(fù)位。

clk：時(shí)鐘信號(hào)，上升沿有效。

csn：片選信號(hào)，低電平有效。

oc/en：串行輸入并行輸出轉(zhuǎn)換或并行口轉(zhuǎn)換輸入/輸出時(shí)做并行輸出允許控制信號(hào)：oc/en＝0：并行輸出允許；oc/en＝1：并行輸出禁止。并入串行輸出模式下作為并行輸入置數(shù)和串行移位控制信號(hào)：oc/en＝0：允許并行輸入置數(shù)，oc/en＝1：串行移位，禁止并行輸入。

le：并行輸出數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，le＝0表示并行輸出數(shù)據(jù)鎖存；le＝1表示并行輸出數(shù)據(jù)不鎖存。

sel：接入spi總線控制信號(hào)，接入spi總線時(shí)，sel引腳固定接地，不需要接入spi總線時(shí)，sel引腳接固定電源。

modsel：并串/串并轉(zhuǎn)換模式和并行口轉(zhuǎn)換模式選擇信號(hào)，modsel＝0；選擇并串/串并轉(zhuǎn)換模式；modsel＝1；選擇并行口切換模式。

sp/mux：并串和串并轉(zhuǎn)換選擇信號(hào)，sp/mux＝0；選擇并行輸入串行輸出模式，sp/mux＝1：選擇串行輸出并行輸出模式，并行口切換模式下兼做1路輸入3路輸出和3路輸入1路輸出選擇信號(hào)，sp/mux＝0：選擇1路輸出3路輸出模式；sp/mux＝1：選擇3路輸入1路輸出模式。

m0、m1：工作方式控制信號(hào)，m0m1為00時(shí)為8位數(shù)據(jù)傳輸模式，01時(shí)為16位數(shù)據(jù)傳輸模式，10時(shí)為24位傳輸模式，11時(shí)為32位數(shù)據(jù)傳輸模式。

pdata：32位輸入/輸出數(shù)據(jù)口。

sdata：（mosi）：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出口；spi總線工作模式下做為mosi口。

cdata：輸入/輸出級(jí)聯(lián)數(shù)據(jù)口，并行輸入串行輸出模式下為輸入口，串行輸入并行輸出模式下為輸出口。

4 gm8166在嵌入式鍋爐中的應(yīng)用

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

gm8166共有三大功能，滿足三種不同應(yīng)用。串并/并串轉(zhuǎn)換功能為并行口比較緊張的系統(tǒng)通過串口擴(kuò)展32位并行口；并行口切換功能可以將1組8位并行口擴(kuò)展成3組8位并行口，通過控制信號(hào)在3組并口中切換完成輸入/輸出功能；spi總線功能使該器件可以接入spi總線中作為從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收/發(fā)，同樣完成串并轉(zhuǎn)換的功能，這里筆者采用兩個(gè)gm8166器件分別實(shí)現(xiàn)32數(shù)據(jù)并行輸入串行輸出轉(zhuǎn)換和32數(shù)據(jù)的串行輸入并行輸出轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展為64位i/o口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入輸出信號(hào)的控制與傳輸，gm8166與at91rm9200的硬件原理圖如圖2。

如圖2所示，at91rm9200的pa口與gm8166連接。gm8166－1設(shè)為32位數(shù)據(jù)串行輸入并行輸出模式：at91rm9200通過pa0口連續(xù)發(fā)送32位數(shù)據(jù)到gm8166－1，在該模式下，當(dāng)reset信號(hào)為“1”時(shí)，gm8166移位寄存器復(fù)位，即所有的寄存器的值都為0；當(dāng)csn為0，reset為0，同時(shí)有時(shí)鐘輸入時(shí)，gm8166對(duì)移位寄存器進(jìn)行移位，32個(gè)時(shí)鐘信號(hào)后，32位數(shù)據(jù)全部輸出到寄存器輸出口，由le和oc/en控制pdata[31：0]的輸出狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐的控制。

gm8166－2設(shè)為32數(shù)據(jù)并行輸入串行輸出模式：at91rm9200通過pa12口連續(xù)接收32位數(shù)據(jù)，在該模式下，當(dāng)reset信號(hào)為1時(shí)，gm8166移寄存器復(fù)位，即所有寄存器的值都為0；當(dāng)csn為0，reset為0，oc/en信號(hào)為0時(shí)，同時(shí)來一個(gè)時(shí)鐘上升沿，gm8166將輸入端口（32位）數(shù)據(jù)并行保存到寄存器中；當(dāng)reset為0和oc/en信號(hào)為1時(shí)，gm8166對(duì)移位寄存器進(jìn)行移位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐信號(hào)的采集。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件均采用c語言編寫。軟件示例如下。

4.2.1 32位數(shù)據(jù)串行輸入并行輸出轉(zhuǎn)換

4.2.2 32位數(shù)據(jù)并行輸入串行輸出轉(zhuǎn)換

如圖2所示，用pa1作為gm8166－1的clk，用pa0作sdata，用pa11作為gm8166－2的clk，用pa12作sdata，用軟件模擬產(chǎn)生串行接口的傳輸過程，編程時(shí)，應(yīng)注意gm8166的內(nèi)部移位寄存器都是在 clk的上升沿移位時(shí)，所以讀入時(shí)應(yīng)在clk的上升沿之后讀入sdata的狀態(tài)，寫出時(shí)應(yīng)在clk上升沿之前置sdata相應(yīng)電平。

5 結(jié)束語

嵌入式鍋爐控制器中使用了兩個(gè)gm8166器件，實(shí)現(xiàn)了鍋爐中22個(gè)溫度、壓力、水位、燃燒機(jī)、風(fēng)機(jī)等狀態(tài)的檢測(cè)和10個(gè)手動(dòng)按鍵的輸入；32個(gè)水泵、變頻器、燃燒機(jī)、風(fēng)機(jī)的啟停以及輕重油選擇、報(bào)警等開關(guān)量的輸出，解決了使用8255等通用并行i/o電路所帶來的成本高，功耗大和占用電路板面積大等系統(tǒng)結(jié)果設(shè)計(jì)與安裝方面的問題。