單片機(jī)IO擴(kuò)展方案討論

世界上最尷尬的事情是什么?這個(gè)我真不知道。但是做電子系統(tǒng)時(shí)最尷尬的事莫過(guò)于想要增加一個(gè)新的功能卻發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的引腳不夠。

在我們?nèi)粘５?a target="_blank">電路設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)電路設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)源頭的cost down顯然更加直接簡(jiǎn)單。一個(gè)好的電子工程師并不是能設(shè)計(jì)出多么復(fù)雜穩(wěn)定的電路，而是可以利用最簡(jiǎn)單最便宜的方案來(lái)滿足復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

在我們做單片機(jī)選型的時(shí)候，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)規(guī)律，同一個(gè)core的單片機(jī)選型時(shí)，單片機(jī)的引腳越多，其單價(jià)就越貴。以STM32為例，LQFP32封裝的價(jià)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(shí)，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(gè)芯片時(shí)，發(fā)現(xiàn)正好少了幾個(gè)用作IO口的引腳，因此不得不選用更高一級(jí)別的LQFP64封裝，正由于這個(gè)原因，電路的成本增加了好幾塊RMB。其實(shí)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(gè)簡(jiǎn)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

串轉(zhuǎn)并芯片來(lái)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(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)可以犧牲最少的端口來(lái)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(lái)完成這個(gè)單片機(jī)IO口的雙向傳輸方案。

首先來(lái)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(gè)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(gè)74HC595芯片內(nèi)部分成三個(gè)部分：

圖中紅色框選出的是移位寄存器單元，這個(gè)單元的功能為SER引腳上的數(shù)據(jù)會(huì)在每個(gè)SCK上升沿到來(lái)時(shí)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(shí)這里就是8個(gè)并聯(lián)的D觸發(fā)器，這8個(gè)D觸發(fā)器的輸出分別和其對(duì)應(yīng)的前級(jí)移位寄存器輸出端相連，在每個(gè)RCK上升沿到來(lái)時(shí)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(gè)三態(tài)門組成的電路，當(dāng)G非為低電平時(shí)，三態(tài)門被開啟，輸出有效，反之芯片輸出為高阻狀態(tài)。

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最后一個(gè)Q’H引腳，是將串行數(shù)據(jù)輸出的，比如當(dāng)SCK第8個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，8個(gè)移位寄存器正好可以存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，但是當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，最先來(lái)的那個(gè)SER上的數(shù)據(jù)會(huì)被最晚到來(lái)的第9個(gè)脈沖頂出來(lái)，頂出來(lái)的那一位數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)在Q’H引腳上面，這個(gè)引腳的主要目的是用來(lái)做74HC595芯片擴(kuò)展的。

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接著來(lái)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(jí)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(shí)，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(shí)，數(shù)據(jù)將在每個(gè)時(shí)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(jí)的輸入，即可實(shí)現(xiàn)移位寄存器位數(shù)的擴(kuò)展。

74HC165的時(shí)鐘輸入是一個(gè)“門控與”結(jié)構(gòu)，CP(時(shí)鐘脈沖)和CE(時(shí)鐘允許)共同產(chǎn)生有效時(shí)鐘輸入。只有在CE(時(shí)鐘允許)為低時(shí)，CP(時(shí)鐘脈沖)才有效。

應(yīng)當(dāng)注意的是，在PL上升沿到來(lái)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(shí)發(fā)生移位。

以上就是關(guān)于移位寄存器用來(lái)擴(kuò)展單片機(jī)IO口的，但是移位寄存器擴(kuò)展出來(lái)的單片機(jī)IO口只能用作一些低速設(shè)備的驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展，如按鍵，LED等，無(wú)法去驅(qū)動(dòng)一些高速的設(shè)備，因?yàn)榇袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)都是通過(guò)循環(huán)一位一位地移出來(lái)的，因此速度都是有限的。

專用IO擴(kuò)展芯片

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(guò)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(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)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(guò)在這條線上發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，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(wú)需通過(guò)I2C總線進(jìn)行通信。這意味著PCF8574仍然是一個(gè)簡(jiǎn)單的從設(shè)備。PCF8674具有以下特性：

工作電源電壓2.5至6 V

待機(jī)電流消耗低，最大10A

I2C到并行端口擴(kuò)展器

漏極開路中斷輸出

I2C總線的8位并行I/O端口

兼容大多數(shù)微控制器

鎖定輸出，具有高電流驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)LED

通過(guò)3個(gè)硬件地址引腳尋址，最多可使用8個(gè)設(shè)備(PCF8574A最多可使用16個(gè))

DIP16或節(jié)省空間的SO16或SSOP20封裝。

說(shuō)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(shí)支持輸入輸出功能。這些細(xì)致的功能用起來(lái)雖然更加順手，方便，但是跟其昂貴的售價(jià)比起來(lái)，這些功能顯然性價(jià)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。