I/O扩展电路GM8166在嵌入式锅炉系统中的应用

1 引言
    锅炉控制系统是一个典型的大惯性、大滞后、多变量的过程控制系统，涉及到压力、温度、水位等多个物理参数的检测与控制，需要同时控制循环泵、补水泵、加热装置、自动排除故障等。该系统有32路数字输入信号、32路数字输出信号、ll路模拟量输入信号和8路模拟量输出信号，因此所需要的硬件电路多，控制复杂，笔者以Atmel公司的AT91RM9200为处理器设计出了一款具有32位高速数据处理能力，处理速度可达200 MI/s，并配有LCD、触摸屏、SD卡、CPLD、音频、网络、USB及串行接口等多项功能的嵌入式工业锅炉控制系统。
    在系统设计过程中，遇到了I/O口严重不足的问题。虽然AT91RM9200具有122个通用I/O口，但嵌入式系统本身的各项功能实现占用了大量的I/O口，剩下用于锅炉控制的已不多，所以需要进行I/O口扩展。一般采用的解决方案是利用74HC573、74LS164、74LS165、82C55等电路来实现I/O扩展，但使用上述器件存在PCB面积增大、成本高等缺点。这里笔者采用两个成都国腾微电子有限公司开发的GM8166电路，通过串行输入并行输出、并行输入串行输出转换即可完成锅炉32路数字输入和32路数字输出控制的I/O口扩展。

2 GM8166的主要特点
    GM8166通过串行输入并行输出、并行输入串行输出、并入并出转换完成I/O口的扩展。最高工作频率为10 MHz，用于配合MCU完成对多个外围电路的控制和信号采集工作。同时可接入SPI总线，满足了更多需求。设计时充分考虑了工作温度范围要求和抗电磁干扰能力，完全适用于工业领域。
    CM8166的主要特性如下：
    提供32位并行数据I/O口，可通过模式选择实现8位、16位、24位、32位的数据转换，也可通过普通I/O口模拟串口实现0～32任意位数的数据转换；
    既可实现串并/并串转换，又可实现并行口切换输入/输出功能；
    所有I/O口均内接上拉电阻；
    锁存输出，有输出锁存控制端；
    有级联输入/输出端，方便实现级联；
    具备SPI总线接口，可方便地接入SPI总线；
    与TTL兼容；
    工作电压为2.7 V～6.5 V；
    最大输出电流为lO mA，最高工作频率为10MHz；
    工作环境温度范围为-40℃～85℃，满足工业级标准。

3 GM8166的系统结构和引脚功能
3.1 系统结构
    GM8166由控制模块、移位寄存器模块和I/O口模块组成。图1为GM8166的系统结构框图。

3.2 引脚功能
    GM8166采用QFP52和SDIP52两种封装形式。
    用户可根据需要进行选择。GM8166的引脚功能说明如下：
    Reset：复位信号，高电平复位。
    CLK：时钟信号，上升沿有效。
    CSN：片选信号，低电平有效。
    OC/EN：串行输入并行输出转换或并行口切换输入/输出时做并行输出允许控制信号：OC/EN=0：并行输出允许；OC/EN=1：并行输出禁止。并入串行输出模式下作为并行输入置数和串行移位控制信号：OC/EN=O：允许并行输入置数；OC/EN=1：串行移位，禁止并行输入。
    IE：并行输出数据锁存信号，LE=0表示并行输出数据锁存：LE=1表示并行输出数据不锁存。
    SEL：接入SPI总线控制信号，接入SPI总线时，SEL引脚固定接地，不需要接入SPI总线时，SEL引脚接固定电源。
    MODSEL：并串/串并转换模式和并行口切换模式选择信号，MODSEL=0：选择并串/串并转换模式；
    MODSEL=1：选择并行口切换模式。
    SP/MUX：并串和串并转换选择信号，SP/MUX=O：选择并行输入串行输出模式；SP/MUX=l：选择串行输入并行输出模式。并行口切换模式下兼作1路输入3路输出和3路输入1路输出选择信号，SP/MUX=0：选择1路输入3路输出模式；SP/MUX=1：选择3路输入1路输出模式。
    M0、M1：工作方式控制信号，MOMl为00时为8位数据传输模式，01时为16位数据传输模式，10时为24位传输模式，1l时为32位数据传输模式。
    PDATA：32位输入/输出数据口。
    SDATA(MOSI)：串行数据输入/输出口；SPI总线工作模式下做为MOSI口。
    CDATA：输入/输出级联数据口，并行输入串行输出模式下为输入口；串行输入并行输出模式下为输出口。

4 GM8166在嵌入式锅炉中的应用
4.1 硬件电路设计
    GM8166共有三大功能，满足三种不同应用。申并/并串转换功能为并行口比较紧张的系统通过串口扩展32位并行口；并行口切换功能可以将l组8位并行口扩展成3组8位并行口，通过控制信号在3组并口中切换完成输入/输出功能；SPI总线功能使该器件可以接入SPI总线中作为从设备进行数据收/发，同样完成串并转换的功能。这里笔者采用两个GM8166器件分别实现32位数据的并行输入串行输出转换和32位数据的串行输入并行输出转换，扩展为64位I/O口，从而实现对锅炉控制系统数字量输入输出信号的控制与传输。GM8166与AT9lRM9200的硬件原理图如图2。

    如图2所示AT91RM9200的PA口与GM8166连接。GM8166-l设为32位数据串行输入并行输出模式：AT91RM9200通过PA0口连续发送32位数据到GM8166-1。在该模式下，当Reset信号为‘1’时，GM8166移位寄存器复位．即所有的寄存器的值都为‘0’；当CSN为‘O’，Reset为‘0’，同时有时钟输入时，GM8166对移位寄存器进行移位，32个时钟信号后，32位数据全部输出到寄存器输出口，由LE和OC/EN控制PDATA[31：0]的输出状态，从而实现对锅炉的控制。
    GM8166-2设为32位数据并行输入串行输出模式：AT91RM9200通过PAl2口连续接收32位数据。在该模式下，当Reset信号为‘1’时，GM8166移位寄存器复位，即所有寄存器的值都为‘0’；当CSN为‘0’，Reset为‘0’，OC/EN信号为‘O’时，同时来一个时钟上升沿，GM8166将输入端口(32位)数据并行保存到移位寄存器中；当Reset为‘O’和OC/EN信号为‘1’时，GM8166对移位寄存器进行移位，从而实现对锅炉信号的采集。
4.2 软件设计
    本系统软件均采用C语言编写。软件示例如下。
4.2.1 32位数据串行输入并行输出转换

4.2.2 32位数据并行输入串行输出转换

 
    如图2所示，用PAl作为GM8166-l的CLK，用PA0作SDATA，用PAll作为GM8166-2的CLK，用PAl2作SDATA，用软件模拟产生串行接口的传输过程。编程时，应注意GM8166的内部移位寄存器都是在CLK的上升沿移位的，所以读入时应在CLK的上升沿之后读入SDATA的状态，写出时应在CLK上升沿之前置SDATA相应电平。

5 结束语
    嵌入式锅炉控制器中使用了两个GM8166器件，实现了锅炉中22个温度、压力、水位、燃烧机、风机等状态的检测和10个手动按键的输入；32个水泵、变频器、燃烧机、风机的启停以及轻重油选择、报警等开关量的输出，解决了使用8255等通用并行I/O电路所带来的成本高、功耗大和占用电路板面积大等系统结构设计与安装方面的问题。