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微計算機控制系統中控制結果的輸出大多數為開關量輸出形式，如設備的起停和開關的 跳合閘等。開關量輸出控制單元回路設計的關鍵是如何防止誤動作。為防止執行CPU 的錯 誤指令，一些控制裝置采取了簡單的措施，但大多數情況下并不作特殊的處理。由于現場干 擾的存在和器件可靠性方面的原因，仍然會發生某些異常，同時要避免上電時輸出的誤動作。 另外還有電感性負載的開關量功率輸出驅動問題。在控制裝置中，作為開關量輸出電路負載 的繼電器是主要的控制元件,簡單驅動電路是晶體管功率輸出。本文將Motorola 公司的新 型輸出開關芯片MC33291 應用于微控制器的輸出控制回路，構成新的輸出電路。用于防止誤 動作和解決功率輸出問題。使輸出電路大為簡化，可靠性和保護性能都可得到改善。 1. 常規的開關量輸出電路 傳統的開關量輸出回路一般采用并行接口的輸出口來控制有觸點繼電器的方法。通常 為了提高抗干擾能力，還要經過光電隔離，典型的一路輸出接線如圖1 所示。并行輸出端口 PB0 和PBl 用不同的電平輸出，PBO 輸出“O”；PB1 輸出“1”，使與非門輸出“0”，驅動 發光二極管，光敏三極管導通，繼電器J 被吸合。這樣做可防止在開斷直流電源過程中繼電 器的誤動。設置反相器及與非門是由于并行口帶負載能力有限，不足以驅動發光二極管，另 外采用與非門后增加了抗干擾能力。 多路開關量輸出電路要有多個光耦，電路復雜，占PCB面積大；需要用CPU多個并行口 線，使成本增高。另外光耦在運行中容易損壞，使得可靠性降低，需要進一步采取措施。 2. 基于MC33291 的開關量多路輸出控制電路 2．1 新型輸出開關芯片MC33291原理 2.1.1 MC33291 芯片介紹 MC33291 是8 位串行輸出（Output0～output7）的控制功率開關，24 腳SOP 封裝。它通 過串行外設接口SPI（SCLK,SI,SO,CSB）直接和MCU 連接，內部核心是串行移位寄存器（COMS Serial shift Registers）。可以通過輸出電路（Updrain DOMS Output）直接控制電感負荷 和繼電器，輸出最高電壓鉗位至53V。輸出電流最大可到1A。輸出具有完備的監測和保護特 性，可接收MCU 的命令并把輸出開關的狀態反饋回MCU。所以MC33291 是一個多功能的集成 輸出控制電路芯片，在汽車控制、計算機、通訊等領域都有廣泛的應用。其控制原理框圖如 圖2 所示。 2.1.2 串行外設口SPI MC33291 通過串行外圍接口SPI 和MCU 相連的，SPI 用于MCU 和一些外圍設備間的同步 串行通訊。通過軟件可以讀取SPI 狀態寄存器，也可以用SPI 中斷。 MCU 通過SPI 口線和外部設備相連時，MCU(Microcontroller)的SPI 選擇主模式。用SPI 控制寄存器來配置SPI 的工作模式和時鐘頻率。MCU 通過外設的SI 口（4 腳）發送數據， SO （9 腳）接收數據，SCLK 口（3 腳）用作輸出時鐘。并行口（Parallel Ports）提供外設從 選擇線CSB（10 腳）及復位線Reset（22 腳）和故障時狀態控制線SFPD（15 腳），見圖2。 在MCU 寫SPI 數據寄存器，通過8 位移位寄存器（Shift Register）向外部設備傳輸數據； 同時從接收緩沖器（Receive Buffer）讀取從外部設備反饋回來的信息，用于判斷外部設備 的狀態并做出相應的處理。 MCU33291 作為一個8 位的輸出串行開關，可用作具有故障管理和故障診斷特性的MCU 總線擴展器和緩沖器，MCU 通過SPI 和MC33291 相連原理如圖3。多個MC33291 也可以通過 SPI 并行控制來形成一個大系統來從MCU 接收多于8 個的輸出控制命令，同時反饋回開關閉 合或故障狀態，MCU 要用片選線選擇其中之一。 2.2 MC33291 多路輸出控制電路硬件設計 使用MC33291 可大大節省MCU 口線，接線方式靈活。取消了與非門模式，電路簡單，占 PCB 面積大大減少。省去了光耦，降低了綜合成本。輸出電路可直接驅動電感負載即出口繼 電器，驅動能力大，并具有多種保護功能。MC33291 的這些特性使其在多輸出控制的場合具 有很大優勢。得到了廣泛應用。基于MC33291 的輸出控制原理電路見圖4。 其中MOSI、MISO、SCK 為SPI 串行通信和時鐘線，分別與MCU 對應的口線相連；OUT-CS1 為對應芯片的片選線，低電平有效，接MCU 的一個口線。MCU 通過其置“0”來選擇該芯片 通信。RES-OUT 為對應芯片的復位信號線，低電平有效，用MCU 的一個口線。MCU 通過其置 “0”來復位該芯片，多個輸出接口芯片共用一個復位信號。6 路輸出(OUT1-OUT6)可以直接 驅動6 個繼電器實現接點控制。 2．3 MC33291 多路輸出控制電路程序設計 開關量輸出控制軟件流程見圖5。圖中通過對命令字和反饋的狀態字的比較判斷輸出接 口是否有故障。 用 MC68HC12 匯編語言編寫的MC33291 輸出部分程序如下： 2．4 MC33291 開關量多路輸出控制電路輸出故障檢測 通過對MCU 發出的命令字和從MC33291 反饋回的狀態字的比較，來判斷是否有故障以及屬于 何種故障。MCU 通過向MC33291 連續發兩個相同的命令字，然后比較第二個狀態字和前一個 命令字，如果兩個值相等則無故障，如不相同則判斷為有故障。 MC33291 可以檢測的輸出故障有：過溫度、短路、過電壓和負載開路故障。通過讀SO口的狀態可判斷故障類型。 1）過溫度故障檢測 每個輸出口的過溫度檢測和關斷輸出保護電路都相 互獨立，過溫度后的輸出關斷也獨立于系統時鐘和任何 別的邏輯信號。當溫度達到155～185℃時，只有對應的 輸出關斷，其他輸出不受影響。當MCU 的輸出命令是“開” 而狀態字指示“關”時，說明是過溫度故障。為了避免 在過溫度限值附近發生快速的關斷和打開，最大20℃的 溫度滯后確保了輸出關斷和重新打開之間有足夠的時間 延遲。當溫度降到過溫度故障恢復值以下后，只有MCU 發一個開的命令，輸出才可打開。 2）過電壓故障 VPWR 引腳的電源過電壓時將關閉MC33291 的所有輸 出。直到過電壓消失，這時要通過SPI 對MC33291 重新 編程。VPWR 腳的過電壓限值給定在28 到36V，并帶有1.0V 的回差。發生過電壓故障后，在下一個寫周期SO 口發送 一個16 進制字FF，表明所有的輸出被過電壓保護關斷。 避免了潛在的危險，MCU 復位程序確保負載的有序啟動。 3）負載開路故障檢測 當輸出狀態為關時檢測到輸出負載開路則顯示是 此故障。當某一路輸出為關狀態,通過比較對應輸出漏 極電壓和內部參考電壓（2.5-3.5V），當低于下限值時 （2.5V）,判別該路輸出為開路故障, 當高于限值時（3.5V）則無開路故障,每個輸出有一個 比較器。開路故障的狀態一旦消失,電路自動返回到正常工作狀態。 4）短路故障檢測 短路(過流)故障由輸出負載直接和電源短接或輸出電流超過限值引起。當發生負載短路 故障時，有三種安全電路可以提供系統保護。第一種用模擬電流限制電路有效地監測和限制 輸出電流。第二種通過檢測輸出漏極電壓監測輸出電流。如果輸出電流超過設定限值 1.0-3.0A（正常2.0A），漏極電壓會超過比較器電壓限值，過流比較器將關斷輸出。第三種 為輸出過熱限制檢測電路。三種保護方法均獨立用于每一路輸出并提供完全獨立的輸出保護 操作。當檢測到某一個輸出過電流時，只關閉故障輸出，其余的輸出不受影響。 特定的短路故障輸出控制口SFPD 的狀態確定當MC33291 輸出口發生短路故障時的工作 狀態。當SFPD 口接地時，一個輸出發生短路故障時，立即關閉MC33291。當短路消失后輸 出保持在關狀態，直到下一個寫周期。如果短路沒消失，下一寫周期輸出打開70 到250 微 秒后將關斷以后每一個寫周期的開指令。 當SFPD 接正電源時，短路發生后5 到10 微秒，將進入模擬電流限制工作方式，當過流 狀態消失時自動回到正常方式。短路未消失則由過熱限制將電路關斷。這種特性對啟動后有 持續10 到20 毫秒沖擊電流的負載非常有用。 3．結論 在微機控制裝置中使用MC33291 芯片代替常規開關量輸出回路后，在性能、綜合成本和 可靠性方面都有較大的改善，特別是其內部的各種保護功能對應用系統有重要的意義。 MC33291 的這些特性使其在多輸出控制的場合具有廣泛應用前景。 |
