作者：張秀松，何仲，顧家蒨

1 引言

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、ll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，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200 MI/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10 MHz，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任意位數的數據轉換；

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2.7 V～6.5 V；

最大輸出電流為lO mA，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切換輸入/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=O：允許并行輸入置數；OC/EN=1：串行移位，禁止并行輸入。

IE：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切換模式選擇信號，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=O：選擇并行輸入串行輸出模式；SP/MUX=l：選擇串行輸入并行輸出模式。并行口切換模式下兼作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路輸入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，MOMl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，1l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。申并/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l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位數據的并行輸入串行輸出轉換和32位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AT9lRM9200的硬件原理圖如圖2。

如圖2所示AT91RM9200的PA口與GM8166連接。GM8166-l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‘O’，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位數據并行輸入串行輸出模式：AT91RM9200通過PAl2口連續接收32位數據。在該模式下，當Reset信號為‘1’時，GM8166移位寄存器復位，即所有寄存器的值都為‘0’；當CSN為‘0’，Reset為‘0’，OC/EN信號為‘O’時，同時來一個時鐘上升沿，GM8166將輸入端口（32位）數據并行保存到移位寄存器中；當Reset為‘O’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PAl作為GM8166-l的CLK，用PA0作SDATA，用PAll作為GM8166-2的CLK，用PAl2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的上升沿移位的，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構設計與安裝方面的問題。

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