I/O扩展电路GM8166在嵌入式锅炉系统中的应用

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、11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200mi/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路树数字输入和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10mhz，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2.7v－6.5v；

最大输出电流为10ma，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转换输入/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＝0：允许并行输入置数，oc/en＝1：串行移位，禁止并行输入。

le：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转换模式选择信号，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＝0；选择并行输入串行输出模式，sp/mux＝1：选择串行输出并行输出模式，并行口切换模式下兼做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路输出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，m0m1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，11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。串并/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1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数据并行输入串行输出转换和32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at91rm9200的硬件原理图如图2。

如图2所示，at91rm9200的pa口与gm8166连接。gm8166－1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0，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数据并行输入串行输出模式：at91rm9200通过pa12口连续接收32位数据，在该模式下，当reset信号为1时，gm8166移寄存器复位，即所有寄存器的值都为0；当csn为0，reset为0，oc/en信号为0时，同时来一个时钟上升沿，gm8166将输入端口（32位）数据并行保存到寄存器中；当reset为0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pa1作为gm8166－1的clk，用pa0作sdata，用pa11作为gm8166－2的clk，用pa12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的上升沿移位时，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果设计与安装方面的问题。