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如何擴展微控制器的輸入和輸出
如何擴展微控制器的輸入和輸出
在我接受教育的早期練習電路板和原理圖時(shí)，我記得不止一次考慮簡(jiǎn)單地增加電路板尺寸，以便我可以正確安裝我的組件并使布線(xiàn)更容易。這絕對不會(huì )有幫助，我很高興我堅持不懈地通過(guò)挑戰尋找解決方案，但在我的職業(yè)生涯中，仍有一些時(shí)候我已經(jīng)研究了設備的必需品，并希望我能讓他們的電路板更大。
這同樣適用于微控制器輸入和輸出。不幸的是，當微控制器達到其輸入或輸出限制時(shí)，沒(méi)有什么可以放松的。在需要與多個(gè)傳感器和螺線(xiàn)管連接的應用中，輸入/輸出 (I/O) 引腳可能不夠用。在這種情況下，有許多選項可用，每個(gè)選項都有自己的一組含義。
使用更高引腳數的微控制器
微控制器中的 I/O 引腳通常按端口分組。單個(gè)端口可能包含 8 到 32 個(gè)獨立的 I/O 引腳，具體取決于微控制器架構。將微控制器升級到更高的引腳數似乎是最簡(jiǎn)單的解決方案。然而，選擇更高引腳數的微控制器通常會(huì )增加組件成本。此外，根據遷移的類(lèi)型，底層固件可能會(huì )受到很大影響。
I/O 引腳因不同的微控制器而異。
在同一微控制器系列中升級時(shí)，固件修改很小或沒(méi)有必要。但是，從 8 位微控制器（如 PIC18F25K20）升級到 32 位基于 ARM 的微控制器（如 LPC1768）涉及使用一組單獨的開(kāi)發(fā)工具為完全不同的架構編寫(xiě)固件。
一般來(lái)說(shuō)，32 位微控制器的成本是 8 位微控制器的數倍。因此，僅僅為了更多的 I/O 引腳而升級可能是一種矯枉過(guò)正的做法。
使用 7400 系列邏輯 IC
為避免將固件移植到全新平臺，7400 系列邏輯系列中有一些集成電路 (IC) 選項非常適合 I/O 擴展。例如，74HC4051 是一款 3:8 CMOS多路復用器/多路分解器，也可用于模擬信號。當然，使用多路復用器并不能完全解決微控制器上 I/O 引腳有限的問(wèn)題，因為每個(gè) IC 會(huì )占用 3 個(gè)引腳。
TPIC6C595 級聯(lián)開(kāi)漏輸出移位寄存器。
更優(yōu)雅的解決方案是使用串行時(shí)鐘移位寄存器，如 74HC595 用于輸出和 74HC165 用于輸入。這些 IC 可以相互級聯(lián)，限制是將字節轉移到所有 IC 的延遲。使用移位寄存器只涉及微控制器上的三個(gè) I/O 引腳，而不管 IC 的數量如何。
I2C 擴展 GPIO IC
您也可以使用I2C擴展GPIO芯片來(lái)增加PCB上I/O引腳的限制。顧名思義，微控制器使用 I2C 協(xié)議與擴展器芯片接口。使用 I2C 擴展器的優(yōu)點(diǎn)是能夠使用提供的命令將單個(gè)引腳配置為輸入或輸出。
您還可以通過(guò)將硬件地址引腳設置為每個(gè) IC 上的唯一地址來(lái)連接多個(gè) I2C 擴展器。I2C 擴展器通常具有特殊的中斷功能，如果輸入引腳從其先前狀態(tài)發(fā)生變化，則可以生成中斷。該微控制器輪詢(xún)I2C擴展為新的輸入值只有當中斷被觸發(fā)。
在某種程度上，中斷驅動(dòng)輪詢(xún)方法比不斷從級聯(lián)移位寄存器移位值以檢查值變化更有效。
PCB 布局考慮
級聯(lián)移位寄存器和 I2C 擴展器都需要微控制器和 IC 之間的時(shí)鐘和數據信號。將接口信號以相等的長(cháng)度相互靠近布線(xiàn)，以防止時(shí)鐘信號中出現毛刺，這一點(diǎn)很重要。走線(xiàn)也應遠離其他高速信號，以防止交叉耦合問(wèn)題。