I/O擴展電路GM8166在嵌入式鍋爐系統中的應用

鍋爐控制系統是一個典型的大慣性、大滯后、多變量的過程控制系統，涉及到壓力、溫度、水位等多個物理參數的檢測與控制，需要同時控制循環泵、補水泵、加熱裝置、自動排除故障等。該系統有32路數字輸入信號、32路數字輸出信號、11路模擬量輸入信號和8路模擬量輸出信號，因此所需要的硬件電路多，控制復雜，筆者以atmel公司的at91rm9200為處理器設計出了一款具有32位高速數據處理能力，處理速度可達200mi/s，并配有lcd、觸摸屏、sd卡、cpld、音頻、網絡、usb及串行接口等多項功能的嵌入式工業鍋爐控制系統。

在系統設計過程中，遇到了i/o口嚴重不足的問題，雖然at91rm9200具有122個通用i/o口，但嵌入式系統本身的各項功能實現占用了大量的i/o口，剩下用于鍋爐控制的已不多，所以需要進行i/o口擴展，一般采用的解決方案是利用74hc573、74ls164、74ls165、82c55等電路來實現i/o擴展，但使用上述器件存在pcb面積增大、成本高等缺點，這里筆者采用兩個成都國騰微電子有限公司開發的gm8166電路，通過串行輸入并行輸出、并行輸入串行輸出轉換即可完成鍋爐32路樹數字輸入和32路數字輸出控制的i/o口擴展。

2 gm8166的主要特點

gm8166通過串行輸入并行輸出，并行輸入串行輸出，并入并出轉換完成i/o口的擴展，最高工作頻率為10mhz，用于配合mcu完成對多個外圍電路的控制和信號采集工作。同時可接入spi總線，滿足了更多需求，設計時充分考慮了工作溫度范圍要求和抗電磁干擾能力，完全適用于工業領域。

cm8166的主要特性如下：

提供32位并行數據i/o口，可通過模式選擇實現8位、16位、24位、32位的數據轉換，也可通過普通i/o口模擬串口實現0－32任意位數據轉換；

既可實現串并/并串轉換，又可實現并行口切換輸入/輸出功能；

所有i/o口均內接上拉電阻；

鎖存輸出，有輸出鎖存控制端；

有級聯輸入/輸出端，方便實現級聯；

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；

工作環境溫度范圍為－40℃－85℃，滿足工業級標準。

3 gm8166的系統結構和引腳功能

3.1 系統結構

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的系統結構框圖。

3.2 引腳功能

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

reset：復位信號，高電平復位。

clk：時鐘信號，上升沿有效。

csn：片選信號，低電平有效。

oc/en：串行輸入并行輸出轉換或并行口轉換輸入/輸出時做并行輸出允許控制信號：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和串行移位控制信號：oc/en＝0：允許并行輸入置數，oc/en＝1：串行移位，禁止并行輸入。

le：并行輸出數據鎖存信號，le＝0表示并行輸出數據鎖存；le＝1表示并行輸出數據不鎖存。

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

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

sp/mux：并串和串并轉換選擇信號，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，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，m0m1為00時為8位數據傳輸模式，01時為16位數據傳輸模式，10時為24位傳輸模式，11時為32位數據傳輸模式。

pdata：32位輸入/輸出數據口。

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

cdata：輸入/輸出級聯數據口，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用

4.1 硬件電路設計

gm8166共有三大功能，滿足三種不同應用。串并/并串轉換功能為并行口比較緊張的系統通過串口擴展32位并行口；并行口切換功能可以將1組8位并行口擴展成3組8位并行口，通過控制信號在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總線中作為從設備進行數據收/發，同樣完成串并轉換的功能，這里筆者采用兩個gm8166器件分別實現32數據并行輸入串行輸出轉換和32數據的串行輸入并行輸出轉換，擴展為64位i/o口，從而實現對鍋爐控制系統數字量輸入輸出信號的控制與傳輸，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設為32位數據串行輸入并行輸出模式：at91rm9200通過pa0口連續發送32位數據到gm8166－1，在該模式下，當reset信號為“1”時，gm8166移位寄存器復位，即所有的寄存器的值都為0；當csn為0，reset為0，同時有時鐘輸入時，gm8166對移位寄存器進行移位，32個時鐘信號后，32位數據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，從而實現對鍋爐的控制。

gm8166－2設為32數據并行輸入串行輸出模式：at91rm9200通過pa12口連續接收32位數據，在該模式下，當reset信號為1時，gm8166移寄存器復位，即所有寄存器的值都為0；當csn為0，reset為0，oc/en信號為0時，同時來一個時鐘上升沿，gm8166將輸入端口（32位）數據并行保存到寄存器中；當reset為0和oc/en信號為1時，gm8166對移位寄存器進行移位，從而實現對鍋爐信號的采集。

4.2 軟件設計

本系統軟件均采用c語言編寫。軟件示例如下。

4.2.1 32位數據串行輸入并行輸出轉換

4.2.2 32位數據并行輸入串行輸出轉換

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，用軟件模擬產生串行接口的傳輸過程，編程時，應注意gm8166的內部移位寄存器都是在 clk的上升沿移位時，所以讀入時應在clk的上升沿之后讀入sdata的狀態，寫出時應在clk上升沿之前置sdata相應電平。

5 結束語

嵌入式鍋爐控制器中使用了兩個gm8166器件，實現了鍋爐中22個溫度、壓力、水位、燃燒機、風機等狀態的檢測和10個手動按鍵的輸入；32個水泵、變頻器、燃燒機、風機的啟停以及輕重油選擇、報警等開關量的輸出，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結果設計與安裝方面的問題。