一种IO扩展芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种IO扩展芯片，涉及电子技术、电气控制、PLC自动控制领域领域。本发明专利技术中：IO配置模块将芯片IO管脚选择具体配置设置为需要的输入配置或输出配置；IO输入采集滤波模块，配置选择连接到芯片外部Pin管脚；IO输出控制模块将MCU写入的控制信息输出至IO输出管脚；MCU通信接口模块的接口方式为Spi/iic串行通信方式；IO驱动模块进行输出控制信号进行驱动放大。本发明专利技术实现了多路IO单元的扩展，IO单元的扩展不受限制；可根据需要配置成输入或输出，提高芯片管脚利用率；输入采集回路具有高效的数字滤波功能，增强了信号可靠性；输出具备保护逻辑以及增强驱动设计，满足了复杂控制和驱动的需要。

【技术实现步骤摘要】
一种IO扩展芯片
本专利技术涉及电子技术、电气控制、PLC自动控制领域领域，具体的是在嵌入式控制系统、微处理器系统中，用于扩展IO口，用于采集例如按键状态、过温报警、回路闭合状态等指令或状态信息，以及输出控制信号到继电器、接触器、电机控制、门开关、LED灯阵列等执行单元，尤其涉及一种IO扩展芯片。
技术介绍
在采用微处理器控制的电子产品、控制设备系统中，常需要对大量的IO数字信号进行采集和输出处理。而微处理器，其自带的IO管脚数量、驱动特性常常存在限制，当需要更多的IO时，或更强的驱动能力时，需进行IO扩展或外加IO扩展芯片，外加、扩展通常的方式包括例如锁存器74ls373、三态门74ls245、可编程接口芯片8255、串转并芯片74LS164等。随着芯片技术进步、电子产品的发展需要，专用IO扩展芯片例如数码管显示驱动、键盘驱动、LED阵列驱动等越来越多，用户的选择愈来愈丰富，给电子产品的系统集成简化提供了便利；同时，在某些复杂及特定的系统，在标准集成芯片不能满足灵活要求时，也常采用CPLD/FPGA芯片进行用户自编程实现自定义的IO扩展模式，总的来说，IO扩展的方式越来越灵活，器件支持也越来越丰富。但同时，随着产品系统IO功能用途愈发丰富，处理运算的复杂度要求也在不断提高；关于可靠性、降成本的需要也必须要求简化系统，这又对IO扩展方式不断提出了挑战。目前的IO扩展芯片，通常是一些IO接口的简单数量上的扩展，例如LED显示驱动等大批量专用场景，而针对一些复杂的IO控制场景，如电气自动化等控制系统中，还缺少专用的成熟应用，还存在如下一些应用限制。第一，对于IO的输入采集而言，在一些复杂电气控制系统中，其电磁电气环境恶劣，IO采样信号通常容易受到干扰，采用普通IO扩展接口方式采集信号输入系统后，一般还需要CPU进行滤波运算处理。在系统控制可靠性要求高、IO数量较多时，进行滤波处理的运算过程将占用较多的处理器运算资源，会增加处理器负荷，不利于处理器处理其它更多的任务，也增加了编程的难度。并且，在实时的控制系统中，一般的处理器操作系统环境，各通道的滤波处理任务很难保证一致性、实时性，导致控制特性的不足。特别是当信号通道较多、并且不同输入信号需要实施不同滤波常数或策略时，又将给MCU操作编程和任务调度实现带来更大困难，大幅增加系统复杂性，引发可靠性风险；第二，对于IO输出的控制，在一些控制系统中，例如其IO输出用于控制驱动大电流或大负载回路时，常要求实现负载回路的过流或过载保护，例如电机过载、IGBT短路保护等。其通常的基本原理是，实时采集过流过载的反馈信号，然后以此条件进行快速实时控制例如封锁输出，从而实现过流过载保护的功能。然而，在具体的实现方法中，采样CPU自带的外围IO接口，或者采用一般的IO扩展芯片，实现该类保护的实时逻辑，依赖CPU的程序运算处理是难以满足实时性要求的，所以一般做法都是采用另加外围控制电路来实现检测到封锁的硬件逻辑保护，为此，硬件电路经变得复杂度，其控制的一致性及参数调节的灵活性也受到硬件特性及硬件参数的限制，并降低了可靠性。而且，一般的IO扩展芯片，其驱动能力也较低，持续电流一般不到10mA。驱动例如继电器等常见负载，还需要外扩驱动芯片或电路才能实现，将继续增加系统硬件电路的复杂度。还有，一般的IO扩展芯片，其管脚配置，其输入输出的配比数量和管脚位置是固定的，不利于提高管脚利用率，也不便于布线。
技术实现思路
本专利技术提供一种IO扩展芯片，提升了IO输入信号采集的高可靠性，系统运行简洁稳定；提供各IO输入通道配置有独立的滤波模块，由CPU写入配置数据设置各自的滤波参数，满足各路输入信号于实时性和可靠性的不同要求；配置IO输出控制的基本逻辑，实现从IO输入信号采集到输出控制的实时逻辑处理，实现常见的例如过流过载保护，无需额外搭建复杂的控制电路，也无需通过CPU处理器干预处理；提供提供兼容3～5V的增强驱动输出电气接口，无需外接驱动接口芯片，有效简化系统的硬件电路构成；本专利技术提供一种IO扩展芯片，满足系统输入通道和输出通道数量的要求，最大化利用端口，减少扩展芯片的数量；提供带地址的Spi、iic总线数据访问接口，简化与CPU处理器的通信连线；Spi及iic均可实现较远距离可靠通信的要求，有利于系统扩展和空间布局；带地址扩展功能，能实现多片扩展芯片的级联，满足系统更多IO扩展的需要。为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供一种IO扩展芯片，包括IO配置模块、IO输入采集滤波模块、IO输出控制模块、MCU通信接口模块、内部总线控制模块、IO驱动模块以及时钟模块。IO配置模块将芯片IO管脚选择具体配置设置为需要的输入配置或输出配置，用于IO输入采集滤波模块、IO输出控制模块与外部具体管脚的连接，芯片IO管脚的配置数据由外部MCU经过MCU通信接口模块、内部总线控制模块写入。IO输入采集滤波模块，包括信号采样、滤波计数器、滤波判断逻辑、采集寄存器，配置选择连接到芯片外部Pin管脚，用于实现输入信号的抖动消除、干扰滤波；管脚信号采样后，根据高低状态，触发滤波计数器记录在相应的时段内高低电平的各自数量，然后根据约定，当高电平计数大于某值时，滤波判断逻辑输出为高，反之为低，其它情况保持不变。IO输出控制模块，包括输出寄存器、输出封锁逻辑、输出时序计数器、输出驱动，IO输出控制模块将MCU写入的控制信息输出到IO输出管脚；当正常输出，若反馈信号有效，封锁逻辑动作，关闭输出；输出时序计数器，用于决定反馈信号何时有效，保证封锁逻辑准确激活，在非正常的时序段，自动封锁反馈信号。MCU通信接口模块上设有外部MCU处理器访问接口，实现输入状态、故障状态数据的读取，输出指令及配置数据的写入，以及数据读写的缓存；MCU通信接口模块的接口方式为Spi/iic串行通信方式，包括Spi、iic协议栈以及相关控制逻辑。内部总线控制模块用于MCU通信接口模块与IO配置模块、IO输入采集滤波模块、IO输出控制模块之间的的数据传输/交换。IO驱动模块，进行输入电平转换，以及输出控制信号进行驱动放大；IO驱动模块包括耐压5V/50mA开漏输出能力特性电路和耐压5V以上高阻输入特性电路。时钟模块，用于提供各模块的工作时钟并同步；时钟模块包括系统时钟、逻辑计时时钟、串口通信时钟，各个时钟内设置计数器单元。作为本专利技术的一种优选技术方案，芯片IO管脚的输入配置包括滤波常数配置；芯片IO管脚的输出配置包括保护逻辑的激活选择以及保护响应速度的常数配置；芯片IO管脚的输入配置/输出配置由一系列的配置寄存器组成。作为本专利技术的一种优选技术方案，IO输出控制模块，配置选择经IO驱动模块连接到芯片外部Pin管脚，控制管脚高低电平状态，采样反馈管脚的状态；IO输出控制模块，配置选择经内部总线控制模块写入的指令以及反馈管脚的状态，进行逻辑运算，输出管脚的状态高低；IO输出控制模块的输出信号经IO驱动模块进行驱动放大。作为本专利技术的一种优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种IO扩展芯片，其特征在于：/n包括IO配置模块（1）、IO输入采集滤波模块（2）、IO输出控制模块（3）、MCU通信接口模块（4）、内部总线控制模块（5）、IO驱动模块（6）以及时钟模块（7）；/n所述IO配置模块（1）将芯片IO管脚选择具体配置设置为需要的输入配置或输出配置，用于IO输入采集滤波模块（2）、IO输出控制模块（3）与外部具体管脚的连接，所述芯片IO管脚的配置数据由外部MCU经过MCU通信接口模块（4）、内部总线控制模块（5）写入；/n所述IO输入采集滤波模块（2），包括信号采样、滤波计数器、滤波判断逻辑、采集寄存器，配置选择连接到芯片外部Pin管脚；管脚信号采样后，根据高低状态，触发滤波计数器记录在相应的时段内高低电平的各自数量；/n所述IO输出控制模块（3），包括输出寄存器、输出封锁逻辑、输出时序计数器、输出驱动，所述IO输出控制模块（3）将MCU写入的控制信息输出至IO输出管脚；/n所述MCU通信接口模块（4）上设有外部MCU处理器访问接口；所述MCU通信接口模块（4）的接口方式为Spi/iic串行通信方式，包括Spi、iic协议栈以及相关控制逻辑；/n所述内部总线控制模块（5）用于MCU通信接口模块（4）与IO配置模块（1）、IO输入采集滤波模块（2）、IO输出控制模块（3）之间的的数据传输/交换；/n所述IO驱动模块（6），进行输入电平转换，以及输出控制信号进行驱动放大；/n所述时钟模块（7），用于提供各模块的工作时钟并同步；/n所述时钟模块（7）包括系统时钟、逻辑计时时钟、串口通信时钟，各个时钟内设置计数器单元。/n...

【技术特征摘要】
1.一种IO扩展芯片，其特征在于：
包括IO配置模块（1）、IO输入采集滤波模块（2）、IO输出控制模块（3）、MCU通信接口模块（4）、内部总线控制模块（5）、IO驱动模块（6）以及时钟模块（7）；
所述IO配置模块（1）将芯片IO管脚选择具体配置设置为需要的输入配置或输出配置，用于IO输入采集滤波模块（2）、IO输出控制模块（3）与外部具体管脚的连接，所述芯片IO管脚的配置数据由外部MCU经过MCU通信接口模块（4）、内部总线控制模块（5）写入；
所述IO输入采集滤波模块（2），包括信号采样、滤波计数器、滤波判断逻辑、采集寄存器，配置选择连接到芯片外部Pin管脚；管脚信号采样后，根据高低状态，触发滤波计数器记录在相应的时段内高低电平的各自数量；
所述IO输出控制模块（3），包括输出寄存器、输出封锁逻辑、输出时序计数器、输出驱动，所述IO输出控制模块（3）将MCU写入的控制信息输出至IO输出管脚；
所述MCU通信接口模块（4）上设有外部MCU处理器访问接口；所述MCU通信接口模块（4）的接口方式为Spi/iic串行通信方式，包括Spi、iic协议栈以及相关控制逻辑；
所述内部总线控制模块（5）用于MCU通信接口模块（4）与IO配置模块（1）、IO输入采集滤波模块（2）、IO输出控制模块（3）之间的的数据传输/交换；
所述IO驱动模块（6），进行输入电平转换，以及输出控制信号进行驱动放大；
所述时钟模块（7），用于提供各模块的工作时钟并同步；
所述时钟模块（7）包括系统时钟、逻辑计时时钟、串口通信时钟，各个时钟内设置计数器单元。


2.根据权利要求1所述的一种IO扩展芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭壮飞，
申请(专利权)人：广东省大金创新电子有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44