在工業(yè)數(shù)字控制儀表領(lǐng)域，一般涉及三個基本功能模塊：對來自傳感器的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換的功能模塊，對A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以事先標定的量程進行顯示驅(qū)動，根據(jù)已獲得的測量數(shù)字信號向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號以實現(xiàn)閉環(huán)控制。對于許多家用電器來說，上述過程是相同的。
目前，在上述領(lǐng)域大多數(shù)的設(shè)計方案是由單片機+A/D轉(zhuǎn)換+外圍支持電路來構(gòu)成的。盡管現(xiàn)在單片機價格并不高，但為了實現(xiàn)上述目標，仍需加上各種外圍支持電路，這樣就提高了成本，而且還離不開編程。本文中介紹了一種單片智能控制芯片GC7645，該芯片是北京雙競科技公司針對低成本的工業(yè)控制儀表及家用電器的控制應(yīng)用設(shè)計推出的新型集成電路。
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圖1：GC7645的功能框圖 |
1. 兩種輸入設(shè)定界面
GC7645具有兩種輸入設(shè)定界面-維護界面和用戶界面。對于普通消費者或生產(chǎn)線工人來說，易于理解、操作簡單是十分普遍的要求。另一方面，運作安全、功能齊全的控制機制也是生產(chǎn)廠商追求的目標。GC7645芯片在維護設(shè)定模式下，生產(chǎn)廠或工程師可按預(yù)先設(shè)計的控制模式設(shè)定好工作及控制條件，并設(shè)定用戶自行調(diào)整的允許范圍，然后可將后臺設(shè)定鍵加以屏蔽，就可將產(chǎn)品出廠或?qū)⑸a(chǎn)線工作條件設(shè)定好。在此條件下，用戶可在控制儀表上進行自己的個性化設(shè)定。但無論如何設(shè)定，這只是前臺設(shè)定，并不能改變控制儀表的基本控制程序，因此只要產(chǎn)品的設(shè)計者完全清楚自己的應(yīng)用目標，不需要編程就可直接制定控制流程，兼顧兩方面的需求。
2. 功能全集成的芯片架構(gòu)
GC7645完全是按預(yù)定的應(yīng)用目標設(shè)計的，已將A/D轉(zhuǎn)換、運算邏輯單元、電荷泵、動態(tài)LED字符顯示、3線存儲接口、繼電器、蜂鳴報警控制接口等功能模塊完全集成在單芯片內(nèi)，提供了簡單直接的解決方案(見圖1)。
3. 安全保護功能
為了使用戶設(shè)定值在掉電后仍能保存，GC7645帶有與GC93C46(串口E2PROM)進行數(shù)據(jù)存取的3線串行接口。另外，為保證安全操作，控制輸出端還具有加電延遲輸出的功能，以防止加電瞬間出現(xiàn)的誤操作。
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圖2：GC7645輸出典型時序圖 |
4. 靈活全面的功能選件
在GC7645的設(shè)計過程中，設(shè)計者已充分考慮了在各種應(yīng)用場合下可能遇到的問題。因此諸如小數(shù)點顯示、不同驅(qū)動負載的選擇、供電電源的選擇，以及在不同的場合下測量值和設(shè)置值的顯示等都保留了用戶選擇的余地。
工作原理
GC7645內(nèi)部使用的是雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，最大分辨率為3999字。它的工作原理是先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)變成與之成正比的時間間隔，然后在這個時間內(nèi)，對固定周期的時鐘脈沖進行計數(shù)，則計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量的輸出。
使用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是它取輸入電壓的平均值進行轉(zhuǎn)換，所以具有很強的抗常態(tài)干擾能力。它不需要DAC，結(jié)構(gòu)簡單。同時，由于在轉(zhuǎn)換過程中，通過兩次積分-正積分和反積分使用的是同一積分器，可以抵消誤差，所以轉(zhuǎn)換結(jié)果受外界元器件的影響很小。
同時，GC7645的3線串行接口的設(shè)置，使得接入E2PROM很方便，可安全可靠地存儲用戶設(shè)置數(shù)據(jù)。內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生倍壓來提供模擬信號的工作電壓區(qū)間。
圖2曲線給出了傳感器輸入信號與GC7645控制、報警之間的關(guān)系。在報警模式(MODE-1)和控制模式(MODE-2)的兩種工作模式中，工作狀態(tài)的設(shè)定值曲線也分別體現(xiàn)在圖2中。
圖中的縱向坐標為代表工作狀態(tài)的7個設(shè)定值，分別是：AH(絕對上限設(shè)定值)、AL(絕對下限設(shè)定值)、dH1(上限回差設(shè)定值1)、dH2(上限回差設(shè)定值2)、dL1(下限回差設(shè)定值1)、dL2(下限回差設(shè)定值2)、Quser(用戶設(shè)定值)。其中，AH、AL、dH1、dH2、dL1、dL2為廠家設(shè)定值，Quser為用戶設(shè)定值。
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圖3：GC7645典型應(yīng)用電路圖(VDD=3.3V) |
在本文中的每個工作狀態(tài)都用上述對應(yīng)的標示符來表示。
應(yīng)用系統(tǒng)原理
GC7645功能齊全、外圍簡潔，配合極少外圍元器件就可以實現(xiàn)既定目標。圖3為GC7645的應(yīng)用電路圖。
圖4給出了GC7645在冰箱溫度設(shè)置中的應(yīng)用：冰箱在出廠時，工程師可將冰箱的制冷控制溫度范圍和壓縮機運行的關(guān)系設(shè)置完成。
AH：-5℃
dH1范圍：d5
dH2范圍：d4
AL：-25℃
dL1范圍：d4
dL2范圍：d5
Quser可設(shè)定范圍：-25℃～-5℃
用戶在使用這種溫度可設(shè)置及顯示的冰箱時，就可以根據(jù)自己的喜好隨意設(shè)置，同時冰箱的溫度處于不正常狀態(tài)時也可以及時提醒用戶，維修工程師則可通過SET鍵來核查或重設(shè)工作狀態(tài)。
其中選用IN4148作為測溫傳感器，在一定偏置條件下PN結(jié)電壓隨溫度變化的線性是相當(dāng)好的，溫度每升高1℃時，下降約2.1mV，測溫范圍為-50℃~150℃。在要求低成本的情況下可以選用。
電路工作狀態(tài)設(shè)定值的保存和恢復(fù)
1. 控制設(shè)定數(shù)據(jù)的讀取
在上電時GC7645從GC93C46讀取工作狀態(tài)的7個設(shè)定值。
按住“RESET”鍵也可重新讀取GC93C46的內(nèi)容。這時候數(shù)碼管全亮，“RESET”鍵釋放后恢復(fù)正常狀態(tài)。
2．控制設(shè)定數(shù)據(jù)的保存
按“SET”鍵進入廠家設(shè)定狀態(tài)，按“▲”鍵可修改任一設(shè)定值。但是只按“SET”鍵瀏覽設(shè)定狀態(tài)的時候不保存。若在7~8秒內(nèi)無任何鍵操作，則恢復(fù)為顯示當(dāng)前測量值或者用戶設(shè)定值，并同時將修改數(shù)據(jù)保存。這時候，工作狀態(tài)的7個設(shè)定值都將保存。
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圖4：GC7645在冰箱溫度設(shè)置中的應(yīng)用 |
在用戶設(shè)定狀態(tài)下，按“▲”鍵、“▼”鍵修改用戶設(shè)定值時，保存的設(shè)定值只有1個(Quser)。(注意：正常顯示狀態(tài)下按“▲”鍵或“▼”鍵就能直接調(diào)用戶設(shè)定值(Quser)。按“▲”鍵/“▼”鍵一次就只顯示用戶設(shè)定值，按“▲”鍵/“▼”鍵第二次開始能調(diào)用戶設(shè)定值(Quser)。)閃爍的數(shù)位表示等待設(shè)置的數(shù)位。
設(shè)定報警和控制的取值范圍
AH的范圍：-1999~+3999
dH1的范圍：d000~d999
dH2的范圍：d000~d999
AL的范圍：-1999~+3999
dL1的范圍：d000~d999
dL2的范圍：d000~d999
用戶設(shè)定值(Quser)范圍：AL~AH
AH＞AL
dH1＞dH2
dL2＞dL1
GC7645不允許Quser超過(AL~AH)的范圍。
注意：如果由于某種原因造成Quser在絕對上下限設(shè)定值范圍之外(如E2PROM中本來就存有無法預(yù)期的數(shù)據(jù))，此時芯片內(nèi)部設(shè)計約定只能將Quser往AL~AH范圍之內(nèi)調(diào)。
上/下限報警值和上/下限控制值計算方法
GC7645帶有16位BCD碼加/減法功能。
根據(jù)廠家或者用戶設(shè)定值，dAH1、dAH2、dAL1、dAL2計算方法如下：
上限報警值(dAH1)＝Quser+dH1
上限控制值(dAH2)＝Quser+dH2
下限控制值(dAL1)＝Quser－dL1
下限報警值(dAL2)＝Quser－dL2
設(shè)定值大小關(guān)系如下：
dAL2 GC7645設(shè)計的出發(fā)點是充分了解了用戶的應(yīng)用需求，以熟悉應(yīng)用目標，但不熟悉軟件編程的用戶為對象。芯片內(nèi)使用的技術(shù)以成熟可靠、互相協(xié)調(diào)為原則。用戶在GC7645應(yīng)用設(shè)計中，應(yīng)充分重視的是輸入信號的直流電位和電源隔離方面的問題，以避免輸入回路和電源之間出現(xiàn)低阻通道。
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