在工業(yè)數(shù)字控制儀表領域，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轉換的功能模塊，對A/D轉換的數(shù)據(jù)以事先標定的量程進行顯示驅動，根據(jù)已獲得的測量數(shù)字信號向執(zhí)行機構發(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，在上述領域大多數(shù)的設計方案是由單片機+A/D轉換+外圍支持電路來構成的。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用設計推出的新型集成電路。
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圖1：GC7645的功能框圖 |
1. 兩種輸入設定界面
GC7645具有兩種輸入設定界面-維護界面和用戶界面。對于普通消費者或生產線工人來說，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廠商追求的目標。GC7645芯片在維護設定模式下，生產廠或工程師可按預先設計的控制模式設定好工作及控制條件，并設定用戶自行調整的允許范圍，然后可將后臺設定鍵加以屏蔽，就可將產品出廠或將生產線工作條件設定好。在此條件下，用戶可在控制儀表上進行自己的個性化設定。但無論如何設定，這只是前臺設定，并不能改變控制儀表的基本控制程序，因此只要產品的設計者完全清楚自己的應用目標，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
GC7645完全是按預定的應用目標設計的，已將A/D轉換、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，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的設計過程中，設計者已充分考慮了在各種應用場合下可能遇到的問題。因此諸如小數(shù)點顯示、不同驅動負載的選擇、供電電源的選擇，以及在不同的場合下測量值和設置值的顯示等都保留了用戶選擇的余地。
工作原理
GC7645內部使用的是雙積分A/D轉換器，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變成與之成正比的時間間隔，然后在這個時間內，對固定周期的時鐘脈沖進行計數(shù)，則計數(shù)結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轉換器的優(yōu)點是它取輸入電壓的平均值進行轉換，所以具有很強的抗常態(tài)干擾能力。它不需要DAC，結構簡單。同時，由于在轉換過程中，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，所以轉換結果受外界元器件的影響很小。
同時，GC7645的3線串行接口的設置，使得接入E2PROM很方便，可安全可靠地存儲用戶設置數(shù)據(jù)。內部電荷泵產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個設定值，分別是：AH(絕對上限設定值)、AL(絕對下限設定值)、dH1(上限回差設定值1)、dH2(上限回差設定值2)、dL1(下限回差設定值1)、dL2(下限回差設定值2)、Quser(用戶設定值)。其中，AH、AL、dH1、dH2、dL1、dL2為廠家設定值，Quser為用戶設定值。
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圖3：GC7645典型應用電路圖(VDD=3.3V) |
在本文中的每個工作狀態(tài)都用上述對應的標示符來表示。
應用系統(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的應用電路圖。
圖4給出了GC7645在冰箱溫度設置中的應用：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系設置完成。
AH：-5℃
dH1范圍：d5
dH2范圍：d4
AL：-25℃
dL1范圍：d4
dL2范圍：d5
Quser可設定范圍：-25℃～-5℃
用戶在使用這種溫度可設置及顯示的冰箱時，就可以根據(jù)自己的喜好隨意設置，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結電壓隨溫度變化的線性是相當好的，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)設定值的保存和恢復
1. 控制設定數(shù)據(jù)的讀取
在上電時GC7645從GC93C46讀取工作狀態(tài)的7個設定值。
按住“RESET”鍵也可重新讀取GC93C46的內容。這時候數(shù)碼管全亮，“RESET”鍵釋放后恢復正常狀態(tài)。
2．控制設定數(shù)據(jù)的保存
按“SET”鍵進入廠家設定狀態(tài)，按“▲”鍵可修改任一設定值。但是只按“SET”鍵瀏覽設定狀態(tài)的時候不保存。若在7~8秒內無任何鍵操作，則恢復為顯示當前測量值或者用戶設定值，并同時將修改數(shù)據(jù)保存。這時候，工作狀態(tài)的7個設定值都將保存。
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圖4：GC7645在冰箱溫度設置中的應用 |
在用戶設定狀態(tài)下，按“▲”鍵、“▼”鍵修改用戶設定值時，保存的設定值只有1個(Quser)。(注意：正常顯示狀態(tài)下按“▲”鍵或“▼”鍵就能直接調用戶設定值(Quser)。按“▲”鍵/“▼”鍵一次就只顯示用戶設定值，按“▲”鍵/“▼”鍵第二次開始能調用戶設定值(Quser)。)閃爍的數(shù)位表示等待設置的數(shù)位。
設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在絕對上下限設定值范圍之外(如E2PROM中本來就存有無法預期的數(shù)據(jù))，此時芯片內部設計約定只能將Quser往AL~AH范圍之內調。
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
設定值大小關系如下：
dAL2 GC7645設計的出發(fā)點是充分了解了用戶的應用需求，以熟悉應用目標，但不熟悉軟件編程的用戶為對象。芯片內使用的技術以成熟可靠、互相協(xié)調為原則。用戶在GC7645應用設計中，應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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