一种新型的多路开关量输出控制电路设计

　　摘要：基于Motorola公司新的输出开关芯片MC33291,提出一种应用于微控制器的新型输出控制电路,并给出硬件系统设计原理图和软件设计流程图。通过对MCU发出的命令字和从MC33291反馈回的状态字进行比较,从而判断出口是否有故障以及故障的类型。该输出控制电路结构简单、可靠性高、综合成本低,具有广泛的应用前景。

　　0.引言

　　微计算机控制系统中控制结果的输出大多数为开关量输出形式，如设备的起停和开关的 跳合闸等。开关量输出控制单元回路设计的关键是如何防止误动作[1]。为防止执行CPU 的错 误指令，一些控制装置采取了简单的措施，但大多数情况下并不作特殊的处理。由于现场干 扰的存在和器件可靠性方面的原因，仍然会发生某些异常，同时要避免上电时输出的误动作。 另外还有电感性负载的开关量功率输出驱动问题。在控制装置中，作为开关量输出电路负载 的继电器是主要的控制元件,简单驱动电路是晶体管功率输出。本文将Motorola 公司的新 型输出开关芯片MC33291 应用于微控制器的输出控制回路，构成新的输出电路。用于防止误 动作和解决功率输出问题。使输出电路大为简化，可靠性和保护性能都可得到改善。

　　1. 常规的开关量输出电路[2]

　　传统的开关量输出回路一般采用并行接口的输出口来控制有触点继电器的方法。通常 为了提高抗干扰能力，还要经过光电隔离，典型的一路输出接线如图1 所示。并行输出端口 PB0 和PBl 用不同的电平输出，PBO 输出“O”；PB1 输出“1”，使与非门输出“0”，驱动 发光二极管，光敏三极管导通，继电器J 被吸合。这样做可防止在开断直流电源过程中继电 器的误动。设置反相器及与非门是由于并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管，另 外采用与非门后增加了抗干扰能力。

　　多路开关量输出电路要有多个光耦，电路复杂，占PCB面积大；需要用CPU多个并行口 线，使成本增高。另外光耦在运行中容易损坏，使得可靠性降低，需要进一步采取措施。

　　2. 基于MC33291 的开关量多路输出控制电路

　　2．1 新型输出开关芯片MC33291原理[3]

　　2.1.1 MC33291 芯片介绍

　　MC33291 是8 位串行输出（output0～output7）的控制功率开关，24 脚SOP 封装。它通 过串行外设接口SPI（SCLK,SI,SO,CSB）直接和MCU 连接，内部是串行移位寄存器（COMS Serial shift Registers）。可以通过输出电路（Updrain DOMS Output）直接控制电感负荷 和继电器，输出电压钳位至53V。输出电流可到1A。输出具有完备的监测和保护特 性，可接收MCU 的命令并把输出开关的状态反馈回MCU。所以MC33291 是一个多功能的集成 输出控制电路芯片，在汽车控制、计算机、通讯等领域都有广泛的应用。其控制原理框图如 图2 所示。

　　2.1.2 串行外设口SPI[4]

　　MC33291 通过串行外围接口SPI 和MCU 相连的，SPI 用于MCU 和一些外围设备间的同步 串行通讯。通过软件可以读取SPI 状态寄存器，也可以用SPI 中断。

　　MCU 通过SPI 口线和外部设备相连时，MCU(Microcontroller)的SPI 选择主模式。用SPI 控制寄存器来配置SPI 的工作模式和时钟频率。MCU 通过外设的SI 口（4 脚）发送数据， SO （9 脚）接收数据，SCLK 口（3 脚）用作输出时钟。并行口（Parallel Ports）提供外设从 选择线CSB（10 脚）及复位线Reset（22 脚）和故障时状态控制线SFPD（15 脚），见图2。 在MCU 写SPI 数据寄存器，通过8 位移位寄存器（Shift Register）向外部设备传输数据； 同时从接收缓冲器（Receive Buffer）读取从外部设备反馈回来的信息，用于判断外部设备 的状态并做出相应的处理。

　　MCU33291 作为一个8 位的输出串行开关，可用作具有故障管理和故障诊断特性的MCU 总线扩展器和缓冲器，MCU 通过SPI 和MC33291 相连原理如图3。多个MC33291 也可以通过 SPI 并行控制来形成一个大系统来从MCU 接收多于8 个的输出控制命令，同时反馈回开关闭 合或故障状态，MCU 要用片选线选择其中之一。

　　2.2 MC33291 多路输出控制电路硬件设计

　　使用MC33291 可大大节省MCU 口线，接线方式灵活。取消了与非门模式，电路简单，占 PCB 面积大大减少。省去了光耦，降低了综合成本。输出电路可直接驱动电感负载即出口继 电器，驱动能力大，并具有多种保护功能。MC33291 的这些特性使其在多输出控制的场合具 有很大优势。得到了广泛应用。基于MC33291 的输出控制原理电路见图4。

　　其中MOSI、MISO、SCK 为SPI 串行通信和时钟线，分别与MCU 对应的口线相连；OUT-CS1 为对应芯片的片选线，低电平有效，接MCU 的一个口线。MCU 通过其置“0”来选择该芯片 通信。RES-OUT 为对应芯片的复位信号线，低电平有效，用MCU 的一个口线。MCU 通过其置 “0”来复位该芯片，多个输出接口芯片共用一个复位信号。6 路输出(OUT1-OUT6)可以直接 驱动6 个继电器实现接点控制。

　　2．3 MC33291 多路输出控制电路程序设计

　　开关量输出控制软件流程见图5。图中通过对命令字和反馈的状态字的比较判断输出接 口是否有故障。

　　用 MC68HC12 汇编语言编写的MC33291 输出部分程序如下：

　　2．4 MC33291 开关量多路输出控制电路输出故障检测

　　通过对MCU 发出的命令字和从MC33291 反馈回的状态字的比较，来判断是否有故障以及属于 何种故障。MCU 通过向MC33291 连续发两个相同的命令字，然后比较第二个状态字和前一个 命令字，如果两个值相等则无故障，如不相同则判断为有故障。

　　MC33291 可以检测的输出故障有：过温度、短路、过电压和负载开路故障。通过读SO口的状态可判断故障类型。

　　1）过温度故障检测

　　每个输出口的过温度检测和关断输出保护电路都相 互独立，过温度后的输出关断也独立于系统时钟和任何 别的逻辑信号。当温度达到155～185℃时，只有对应的 输出关断，其他输出不受影响。当MCU 的输出命令是“开” 而状态字指示“关”时，说明是过温度故障。为了避免 在过温度限值附近发生快速的关断和打开，20℃的 温度滞后确保了输出关断和重新打开之间有足够的时间 延迟。当温度降到过温度故障恢复值以下后，只有MCU 发一个开的命令，输出才可打开。

　　2）过电压故障

　　VPWR 引脚的电源过电压时将关闭MC33291 的所有输 出。直到过电压消失，这时要通过SPI 对MC33291 重新 编程。VPWR 脚的过电压限值给定在28 到36V，并带有1.0V 的回差。发生过电压故障后，在下一个写周期SO 口发送 一个16 进制字FF，表明所有的输出被过电压保护关断。 避免了潜在的危险，MCU 复位程序确保负载的有序启动。

　　3）负载开路故障检测

　　当输出状态为关时检测到输出负载开路则显示是 此故障。当某一路输出为关状态,通过比较对应输出漏 极电压和内部参考电压（2.5-3.5V），当低于下限值时 （2.5V）,判别该路输出为开路故障, 当高于限值时（3.5V）则无开路故障,每个输出有一个 比较器。开路故障的状态一旦消失,电路自动返回到正常工作状态。

　　4）短路故障检测 短路(过流)故障由输出负载直接和电源短接或输出电流超过限值引起。当发生负载短路 故障时，有三种安全电路可以提供系统保护。种用模拟电流限制电路有效地监测和限制 输出电流。第二种通过检测输出漏极电压监测输出电流。如果输出电流超过设定限值 1.0-3.0A（正常2.0A），漏极电压会超过比较器电压限值，过流比较器将关断输出。第三种 为输出过热限制检测电路。三种保护方法均独立用于每一路输出并提供完全独立的输出保护 操作。当检测到某一个输出过电流时，只关闭故障输出，其余的输出不受影响。

　　特定的短路故障输出控制口SFPD 的状态确定当MC33291 输出口发生短路故障时的工作 状态。当SFPD 口接地时，一个输出发生短路故障时，立即关闭MC33291。当短路消失后输 出保持在关状态，直到下一个写周期。如果短路没消失，下一写周期输出打开70 到250 微 秒后将关断以后每一个写周期的开指令。

　　当SFPD 接正电源时，短路发生后5 到10 微秒，将进入模拟电流限制工作方式，当过流 状态消失时自动回到正常方式。短路未消失则由过热限制将电路关断。这种特性对启动后有 持续10 到20 毫秒冲击电流的负载非常有用。

　　3．结论

　　在微机控制装置中使用MC33291 芯片代替常规开关量输出回路后，在性能、综合成本和 可靠性方面都有较大的改善，特别是其内部的各种保护功能对应用系统有重要的意义。 MC33291 的这些特性使其在多输出控制的场合具有广泛应用前景。