在工业数字控制仪表领域，一般涉及三个基本功能模块：对来自传感器的模拟信号进行A/D转换的功能模块，对A/D转换的数据以事先标定的量程进行显示驱动，根据已获得的测量数字信号向执行机构发出控制信号以实现闭环控制。对于许多家用电器来说，上述过程是相同的。
目前，在上述领域大多数的设计方案是由单片机+A/D转换+外围支持电路来构成的。尽管现在单片机价格并不高，但为了实现上述目标，仍需加上各种外围支持电路，这样就提高了成本，而且还离不开编程。本文中介绍了一种单片智能控制芯片GC7645，该芯片是北京双竞科技公司针对低成本的工业控制仪表及家用电器的控制应用设计推出的新型集成电路。
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图1：GC7645的功能框图。 |
GC7645的功能特点
1. 两种输入设定界面
GC7645具有两种输入设定界面-维护界面和用户界面。对于普通消费者或生产线工人来说，易于理解、操作简单是十分普遍的要求。另一方面，运作安全、功能齐全的控制机制也是生产厂商追求的目标。GC7645芯片在维护设定模式下，生产厂或工程师可按预先设计的控制模式设定好工作及控制条件，并设定用户自行调整的允许范围，然后可将后台设定键加以屏蔽，就可将产品出厂或将生产线工作条件设定好。在此条件下，用户可在控制仪表上进行自己的个性化设定。但无论如何设定，这只是前台设定，并不能改变控制仪表的基本控制程序，因此只要产品的设计者完全清楚自己的应用目标，不需要编程就可直接制定控制流程，兼顾两方面的需求。
2. 功能全集成的芯片架构
GC7645完全是按预定的应用目标设计的，已将A/D转换、运算逻辑单元、电荷泵、动态LED字符显示、3线存储接口、继电器、蜂鸣报警控制接口等功能模块完全集成在单芯片内，提供了简单直接的解决方案(见图1)。
3. 安全保护功能
为了使用户设定值在掉电后仍能保存，GC7645带有与GC93C46(串口E2PROM)进行数据存取的3线串行接口。另外，为保证安全操作，控制输出端还具有加电延迟输出的功能，以防止加电瞬间出现的误操作。
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图2：GC7645输出典型时序图。 |
4. 灵活全面的功能选件
在GC7645的设计过程中，设计者已充分考虑了在各种应用场合下可能遇到的问题。因此诸如小数点显示、不同驱动负载的选择、供电电源的选择，以及在不同的场合下测量值和设置值的显示等都保留了用户选择的余地。
工作原理
GC7645内部使用的是双积分A/D转换器，最大分辨率为3999字。它的工作原理是先把输入的模拟电压转变成与之成正比的时间间隔，然后在这个时间内，对固定周期的时钟脉冲进行计数，则计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量的输出。
使用双积分A/D转换器的优点是它取输入电压的平均值进行转换，所以具有很强的抗常态干扰能力。它不需要DAC，结构简单。同时，由于在转换过程中，通过两次积分-正积分和反积分使用的是同一积分器，可以抵消误差，所以转换结果受外界元器件的影响很小。
同时，GC7645的3线串行接口的设置，使得接入E2PROM很方便，可安全可靠地存储用户设置数据。内部电荷泵产生倍压来提供模拟信号的工作电压区间。
图2曲线给出了传感器输入信号与GC7645控制、报警之间的关系。在报警模式(MODE-1)和控制模式(MODE-2)的两种工作模式中，工作状态的设定值曲线也分别体现在图2中。
图中的纵向坐标为代表工作状态的7个设定值，分别是：AH(绝对上限设定值)、AL(绝对下限设定值)、dH1(上限回差设定值1)、dH2(上限回差设定值2)、dL1(下限回差设定值1)、dL2(下限回差设定值2)、Quser(用户设定值)。其中，AH、AL、dH1、dH2、dL1、dL2为厂家设定值，Quser为用户设定值。
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图3：GC7645典型应用电路图(VDD=3.3V)。 |
在本文中的每个工作状态都用上述对应的标示符来表示。
应用系统原理
GC7645功能齐全、外围简洁，配合极少外围元器件就可以实现既定目标。图3为GC7645的应用电路图。
图4给出了GC7645在冰箱温度设置中的应用：冰箱在出厂时，工程师可将冰箱的制冷控制温度范围和压缩机运行的关系设置完成。
AH：-5℃
dH1范围：d5
dH2范围：d4
AL：-25℃
dL1范围：d4
dL2范围：d5
Quser可设定范围：-25℃～-5℃
用户在使用这种温度可设置及显示的冰箱时，就可以根据自己的喜好随意设置，同时冰箱的温度处于不正常状态时也可以及时提醒用户，维修工程师则可通过SET键来核查或重设工作状态。
其中选用IN4148作为测温传感器，在一定偏置条件下PN结电压随温度变化的线性是相当好的，温度每升高1℃时，下降约2.1mV，测温范围为-50℃~150℃。在要求低成本的情况下可以选用。
电路工作状态设定值的保存和恢复
1. 控制设定数据的读取
在上电时GC7645从GC93C46读取工作状态的7个设定值。
按住“RESET”键也可重新读取GC93C46的内容。这时候数码管全亮，“RESET”键释放后恢复正常状态。
2．控制设定数据的保存
按“SET”键进入厂家设定状态，按“▲”键可修改任一设定值。但是只按“SET”键浏览设定状态的时候不保存。若在7~8秒内无任何键操作，则恢复为显示当前测量值或者用户设定值，并同时将修改数据保存。这时候，工作状态的7个设定值都将保存。
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图4：GC7645在冰箱温度设置中的应用。 |
在用户设定状态下，按“▲”键、“▼”键修改用户设定值时，保存的设定值只有1个(Quser)。(注意：正常显示状态下按“▲”键或“▼”键就能直接调用户设定值(Quser)。按“▲”键/“▼”键一次就只显示用户设定值，按“▲”键/“▼”键第二次开始能调用户设定值(Quser)。)闪烁的数位表示等待设置的数位。
设定报警和控制的取值范围
AH的范围：-1999~+3999
dH1的范围：d000~d999
dH2的范围：d000~d999
AL的范围：-1999~+3999
dL1的范围：d000~d999
dL2的范围：d000~d999
用户设定值(Quser)范围：AL~AH
AH＞AL
dH1＞dH2
dL2＞dL1
GC7645不允许Quser超过(AL~AH)的范围。
注意：如果由于某种原因造成Quser在绝对上下限设定值范围之外(如E2PROM中本来就存有无法预期的数据)，此时芯片内部设计约定只能将Quser往AL~AH范围之内调。
上/下限报警值和上/下限控制值计算方法
GC7645带有16位BCD码加/减法功能。
根据厂家或者用户设定值，dAH1、dAH2、dAL1、dAL2计算方法如下：
上限报警值(dAH1)＝Quser+dH1
上限控制值(dAH2)＝Quser+dH2
下限控制值(dAL1)＝Quser－dL1
下限报警值(dAL2)＝Quser－dL2
设定值大小关系如下：
dAL2 GC7645设计的出发点是充分了解了用户的应用需求，以熟悉应用目标，但不熟悉软件编程的用户为对象。芯片内使用的技术以成熟可靠、互相协调为原则。用户在GC7645应用设计中，应充分重视的是输入信号的直流电位和电源隔离方面的问题，以避免输入回路和电源之间出现低阻通道。 作者：徐秀吉 (总工程师) 杨春茹 (工程师) 双竞科技公司
