【原】【電路“芯”說】單片機(jī)IO擴(kuò)展
|
世界上最尷尬的事情是什么？這個我真不知道。但是做電子系統(tǒng)時最尷尬的事莫過于想要增加一個新的功能卻發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的引腳不夠。在我們?nèi)粘５碾娐吩O(shè)計時，除了最基本的產(chǎn)品需求要滿足之外，還需要考慮的就是整個電路設(shè)計的成本，在很多公司中，成熟產(chǎn)品的cost down（成本降低）也基本上是個日常日程。產(chǎn)品成本的cost down比起供應(yīng)鏈端哥們的努力，設(shè)計源頭的cost down顯然更加直接簡單。一個好的電子工程師并不是能設(shè)計出多么復(fù)雜穩(wěn)定的電路，而是可以利用最簡單最便宜的方案來滿足復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計要求。在我們做單片機(jī)選型的時候，往往會發(fā)現(xiàn)這樣一個規(guī)律，同一個core的單片機(jī)選型時，單片機(jī)的引腳越多，其單價就越貴。以STM32為例，LQFP32封裝的價格是最便宜的，往上依次是LQFP48封裝，LQFP64封裝，LQFP100封裝，LQFP144封裝。在我們選型時，往往單片機(jī)的內(nèi)部資源LQFP48封裝的引腳就能滿足我們的需求，正當(dāng)我們決定選用這個芯片時，發(fā)現(xiàn)正好少了幾個用作IO口的引腳，因此不得不選用更高一級別的LQFP64封裝，正由于這個原因，電路的成本增加了好幾塊RMB。其實解決單片機(jī)IO口不夠用的情況，除了選用引腳更多的芯片之外，還有一個簡單而便宜的方法，那就是IO口擴(kuò)展。單片機(jī)的IO口擴(kuò)展一般有以下三種方案。串轉(zhuǎn)并芯片來擴(kuò)展單片機(jī)的IO可能是成本最低的IO擴(kuò)展解決方案，而且對于單片機(jī)來說可以犧牲最少的端口來獲得最多的端口擴(kuò)展收益。串轉(zhuǎn)并方案所利用的芯片就是我們?nèi)粘Ｋ^的“移位寄存器”芯片。由于移位寄存器是一種單向器件，因此需要利用只能做串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)的移位輸出寄存器芯片和只能做并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù)的移位輸入寄存器芯片來完成這個單片機(jī)IO口的雙向傳輸方案。首先來討論單片機(jī)輸出口的擴(kuò)展方案。單片機(jī)輸出口擴(kuò)展需要利用串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)的移位寄存器芯片，最常用的芯片是74HC595。74HC595是一個8位串行輸入、平行輸出的位移緩存器：平行輸出為三態(tài)輸出。我們從它的邏輯框圖中可以看到，這個74HC595芯片內(nèi)部分成三個部分：圖中紅色框選出的是移位寄存器單元，這個單元的功能為SER引腳上的數(shù)據(jù)會在每個SCK上升沿到來時被移位進(jìn)入移位寄存器。圖中藍(lán)色部分框選出的是數(shù)據(jù)暫存器單元，其實這里就是8個并聯(lián)的D觸發(fā)器，這8個D觸發(fā)器的輸出分別和其對應(yīng)的前級移位寄存器輸出端相連，在每個RCK上升沿到來時就將數(shù)據(jù)鎖存住。圖中黃色框選出的是輸出門控電路，這是8個三態(tài)門組成的電路，當(dāng)G非為低電平時，三態(tài)門被開啟，輸出有效，反之芯片輸出為高阻狀態(tài)。最后一個Q’H引腳，是將串行數(shù)據(jù)輸出的，比如當(dāng)SCK第8個脈沖到來時，8個移位寄存器正好可以存儲一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，但是當(dāng)?shù)?個脈沖到來時，最先來的那個SER上的數(shù)據(jù)會被最晚到來的第9個脈沖頂出來，頂出來的那一位數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)在Q’H引腳上面，這個引腳的主要目的是用來做74HC595芯片擴(kuò)展的。接著來討論單片機(jī)輸入口的擴(kuò)展方案。單片機(jī)輸入口擴(kuò)展需要利用并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù)的移位寄存器芯片，最常用的芯片是74HC165。74HC165是8位并行讀取或串行輸入移位寄存器，可在末級得到互補(bǔ)的串行輸出（Q7和!Q7），當(dāng)異步并行讀取引腳（!PL）輸入為低時，從D0到D7口輸入的并行數(shù)據(jù)將被讀取進(jìn)寄存器內(nèi)。而當(dāng)異步并行讀取引腳為高時，數(shù)據(jù)將在每個時鐘脈沖的上升沿從 引腳串行進(jìn)入寄存器并將現(xiàn)有數(shù)據(jù)右移一位（ 以此類推）。利用這種特性，只要把Q7輸出綁定到下一級的輸入，即可實現(xiàn)移位寄存器位數(shù)的擴(kuò)展。74HC165的時鐘輸入是一個“門控與”結(jié)構(gòu)，CP（時鐘脈沖）和CE（時鐘允許）共同產(chǎn)生有效時鐘輸入。只有在CE（時鐘允許）為低時，CP（時鐘脈沖）才有效。應(yīng)當(dāng)注意的是，在PL上升沿到來前，CP或者CE必須置高，以防止數(shù)據(jù)在PL的狀態(tài)尚未穩(wěn)定時發(fā)生移位。以上就是關(guān)于移位寄存器用來擴(kuò)展單片機(jī)IO口的，但是移位寄存器擴(kuò)展出來的單片機(jī)IO口只能用作一些低速設(shè)備的驅(qū)動擴(kuò)展，如按鍵，LED等，無法去驅(qū)動一些高速的設(shè)備，因為串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)都是通過循環(huán)一位一位地移出來的，因此速度都是有限的。專用的IO擴(kuò)展芯片很多，這里以NXP的PCF8574為例。PCF8574是一種硅CMOS電路。它通過雙線雙向總線（I2C）為大多數(shù)微控制器系列提供通用遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展。該器件由8位準(zhǔn)雙向端口和I2C總線接口組成。PCF8574具有低電流消耗，包括鎖存輸出，具有高電流驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動LED。它還具有中斷線（INT），可以連接到微控制器的中斷邏輯。通過在這條線上發(fā)送一個中斷信號，遠(yuǎn)程I/O可以通知微控制器其端口上是否有傳入數(shù)據(jù)，而無需通過I2C總線進(jìn)行通信。這意味著PCF8574仍然是一個簡單的從設(shè)備。PCF8674具有以下特性：·鎖定輸出，具有高電流驅(qū)動能力，可直接驅(qū)動LED·通過3個硬件地址引腳尋址，最多可使用8個設(shè)備（PCF8574A最多可使用16個）·DIP16或節(jié)省空間的SO16或SSOP20封裝。說到專用的IO擴(kuò)展芯片，其大致功能和移位寄存器相似，細(xì)節(jié)上還是有很多不同，當(dāng)然專用的IO擴(kuò)展芯片功能更加強(qiáng)大，比如PCF8574的IO口能同時支持輸入輸出功能。這些細(xì)致的功能用起來雖然更加順手，方便，但是跟其昂貴的售價比起來，這些功能顯然性價比太低。以上就是兩種單片機(jī)IO口擴(kuò)展的方案，孰優(yōu)孰劣，一目了然。
|
轉(zhuǎn)藏
分享
獻(xiàn)花（0）
+1
