基于AT91RM9200單片機(jī)和GM8166實(shí)現(xiàn)鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：張秀松，何仲，顧家蒨

1 引言

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(guò)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)、ll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，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)200 MI/s，并配有LCD、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(guò)程中，遇到了I/O口嚴(yán)重不足的問(wèn)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(lái)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(kāi)發(fā)的GM8166電路，通過(guò)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(guò)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10 MHz，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(guò)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(guò)普通I/O口模擬串口實(shí)現(xiàn)0～32任意位數(shù)的數(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2.7 V～6.5 V；

最大輸出電流為lO mA，最高工作頻率為10MHz；

工作環(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(shuō)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)換或并行口切換輸入/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=O：允許并行輸入置數(shù)；OC/EN=1：串行移位，禁止并行輸入。

IE：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)換模式和并行口切換模式選擇信號(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=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(hào)，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(hào)，MOMl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，1l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。申并/并串轉(zhuǎn)換功能為并行口比較緊張的系統(tǒng)通過(guò)串口擴(kuò)展32位并行口；并行口切換功能可以將l組8位并行口擴(kuò)展成3組8位并行口，通過(guò)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位數(shù)據(jù)的并行輸入串行輸出轉(zhuǎn)換和32位數(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(shè)為32位數(shù)據(jù)串行輸入并行輸出模式：AT91RM9200通過(guò)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‘O’，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位數(shù)據(jù)并行輸入串行輸出模式：AT91RM9200通過(guò)PAl2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移位寄存器復(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‘O’時(shí)，同時(shí)來(lái)一個(gè)時(shí)鐘上升沿，GM8166將輸入端口（32位）數(shù)據(jù)并行保存到移位寄存器中；當(dāng)Reset為‘O’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(yǔ)言編寫(xiě)。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(chǎn)生串行接口的傳輸過(guò)程。編程時(shí)，應(yīng)注意GM8166的內(nèi)部移位寄存器都是在CLK的上升沿移位的，所以讀入時(shí)應(yīng)在CLK的上升沿之后讀入SDATA的狀態(tài)，寫(xiě)出時(shí)應(yīng)在CLK上升沿之前置SDATA相應(yīng)電平。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(kāi)關(guān)量的輸出，解決了使用8255等通用并行I/O電路所帶來(lái)的成本高、功耗大和占用電路板面積大等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝方面的問(wèn)題。

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