擔心微控制器I/O不夠用？讓外部I/O擴展器件幫你解憂！

時間：2021-09-16 14:17:48

關鍵字： IO 微控制器擴展器

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[導讀]設計人員經(jīng)常面臨兩個微控制器I/O問題。第一個問題是，最適合應用的微控制器不具備合適的I/O能力組合。第二個問題是，已推出的產(chǎn)品線需要增加I/O。?出現(xiàn)第一個問題時，開發(fā)人員經(jīng)常不得不購買更昂貴且功能更強的微控制器。而面對第二個問題時，切換到新的微控制器以及隨之而來的軟件移植所需...

設計人員經(jīng)常面臨兩個微控制器 I/O問題。第一個問題是，最適合應用的微控制器不具備合適的I/O能力組合。第二個問題是，已推出的產(chǎn)品線需要增加I/O。

出現(xiàn)第一個問題時，開發(fā)人員經(jīng)常不得不購買更昂貴且功能更強的微控制器。而面對第二個問題時，切換到新的微控制器以及隨之而來的軟件移植所需的成本及時間可能會多得令人難以承受。

要同時解決這兩個問題，一種潛在的解決方案是使用外部I/O擴展器件，這種器件通?？蛇B接到微控制器的SPI或I²C總線。這樣就能避免在引腳數(shù)以及可能的性能和封裝方面，對微控制器做出過多的規(guī)定。同時，這種方法還能讓產(chǎn)品設計具有前瞻性，以應對功能蠕變、目標市場擴張、客戶功能請求和微控制器選擇不當（這種情況時有發(fā)生）等問題。

本文將討論典型的微控制器I/O要求，并介紹一些合適的外部擴展器件，然后說明如何使用這些片外資源來增加通用輸入和輸出、存儲器存儲、脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 甚至看門狗定時器功能。

選擇擴展接口

微控制器配有多個不同的片載外設接口，可用于與外部設備通信。根據(jù)微控制器的不同，這些接口可能包括（僅列舉幾例）：

串行外設接口 (SPI)
內(nèi)部集成電路 (I²C) 總線
通用串行總線 (USB)
通用異步接收器/發(fā)送器(UART)
控制器區(qū)域網(wǎng)絡 (CAN)
Wi-Fi

其中最適合與外部擴展設備通信的接口是I²C和SPI。

I²C是一種兩線總線，傳統(tǒng)的運行速率為100千位/秒 (kb/s) 或400kb/s，但也有一些可支持1Mb/s或更快速度的高速設備。其中一條線是專用的時鐘引腳，而另一條線則用于主設備和從設備之間的雙向通信。通常情況下，微控制器充當主設備，外部設備充當從設備。從設備可使用7位或10位尋址方案進行尋址。

SPI是一種三線總線接口，運行速率介于1Mb/s和12Mb/s之間。SPI總線配有專用的主設備輸出數(shù)據(jù)線、從設備輸出數(shù)據(jù)線和時鐘。微控制器同樣配置為主設備，使用“從設備選擇”線與從設備通信。每個與微控制器連接的從設備都需要一個專用輸出引腳，用于選擇它進行通信。不難想象，如果開發(fā)人員有很多想要連接的外部設備，他們可能很快就會用盡 I/O 線，然后選擇從設備。

例如，如果開發(fā)人員使用STMicroelectronics的STM32L011D4P7，可供使用的I/O線共有11條（圖1）。僅SPI數(shù)據(jù)和時鐘就需要三條I/O線，剩下的八條線除了與從設備通信，還需要執(zhí)行系統(tǒng)所需的所有其他功能。雖然這完全可以滿足許多應用的要求，但某些時候，設計人員仍可能需要對I/O進行擴展。

圖1：STM32L011D4P7是一款Arm® Cortex^®-M0 處理器，其I/O引腳數(shù)限制為11個（圖片來源：STMicroelectronics）

一般情況下，經(jīng)驗法則非常簡單：添加以下功能時使用I²C總線：

I/O
PWM
EEPROM
看門狗定時器

SPI 總線應該用于增加諸如為SD卡提供高速存儲器訪問等功能。

擴展通用I/O

有相當多的集成電路可支持通過I²C接口來擴展輸入和輸出。以下是一些有趣的示例：

Texas Instruments的TCA9534PWR
NXP Semiconductors的PCA8574
Semtech Corporation的SX1520I087TRT

PCA8574是一款特別有趣的器件，因為它只包含一個用于執(zhí)行輸入和輸出的寄存器。單個寄存器極大地精簡了配置器件以及讀寫引腳所需的軟件數(shù)量（圖2）。微控制器通過I²C與PCA8574通信，并根據(jù)A0至A2引腳的配置方式對此器件進行尋址。這一特性增加了設計的靈活性，因此開發(fā)人員可以為PCA8574選擇從設備地址，并且可在一個設計中使用多個從設備地址。

圖2：NXP的PCA8574是一款準雙向8位I/O I²C擴展器。該擴展器只有一個I²C寄存器可供讀寫，從而在其引腳上執(zhí)行I/O功能，因此是一款非常簡單、精巧的器件。（圖片來源：NXP Semiconductors）

默認情況下，P0至P7在上電時配置為輸入。讀取單個內(nèi)部寄存器時將為器件上的各個引腳指定狀態(tài)，無論該引腳配置為輸入還是輸出。PCA8574允許引腳同時用作輸入和輸出，因此對寄存器的寫入也會設置相應的位輸出。

輸出驅(qū)動由微弱的內(nèi)部電阻器上拉，該電阻器很容易因輸入值而過載。如果任何一個輸入狀態(tài)發(fā)生變化，INT引腳將切換為低電平，讓微控制器知道輸入狀態(tài)發(fā)生了變化。然后，微控制器可以調(diào)用I²C來讀取新值。

拓展PWM

PWM擴展器是一款非常有用的擴展器件。該器件在驅(qū)動LED時特別有用。當微控制器未執(zhí)行任何操作時，可將其設為休眠模式，此時PWM擴展器可負責驅(qū)動LED狀態(tài)。

關于如何使用PWM擴展器的完美范例經(jīng)常出現(xiàn)在RGB按鈕電路中，該電路可使用E-Switch的PV6F240SSG RGB按鈕。

圖 3：E-Switch的 PV6F240SSG RGB 按鈕

Maxim Integrated的MAX7315便是一款適用于I²C接口的PWM擴展芯片。MAX7315配有8個PWM端口，并具有LED強度控制功能，這樣可以輕松涵蓋驅(qū)動RGB開關所需的3個通道，使得單個器件能夠驅(qū)動若干開關和一些獨立的LED。此外，MAX7315還有第9個端口，可以用作轉(zhuǎn)換檢測中斷或通用輸出。

MAX7315 I²C接口比NXP的PCA8574稍微復雜一些，因為它包含多個寄存器。因此，開發(fā)人員必須尋址從設備，提供其有興趣讀取或?qū)懭氲拇鎯ζ鞯刂?，然后?zhí)行寫入或讀取。MAX7315的存儲器映射如圖4所示。

圖4：MAX7315 PWM控制器配有8個輸出端口，其中包括LED強度功能。該器件的寄存器映射非常簡單，允許輕松訪問高級PWM功能。（圖片來源：Maxim Integrated）

MAX7315 的寄存器映射非常簡單，允許輕松訪問高級 PWM 功能。

配有WDT、EEPROM和PWM的組合型擴展器

如圖所示，I²C總線I/O擴展器在用作獨立器件時可能非常強大。也就是說，這種擴展器只包含諸如I/O或PWM等特定功能。例如Cypress Semiconductor的CY8C9520A多端口I/O擴展器，這類擴展器在一個IC封裝中包含了多個外設擴展。CY8C9520A共有三種擴展形式：20位、40位或60位擴展。然后可將這些引腳配置為輸入、輸出或PWM（圖5）。

圖5：Cypress Semiconductor的CY8C9520是一款配有EEPROM的20位、40位或60位I/O擴展器。該擴展器允許將擴展引腳配置為輸入、輸出或PWM。（圖片來源：Cypress Semiconductor）

除I/O擴展外，CY8C9520還配有EEPROM，可用于存儲重要的應用設置（如序列號）以及其他重要的配置參數(shù)。

仔細查看圖5，您會看到GPort 2上的WD6引腳。該引腳是一個看門狗定時器輸出引腳，可在微控制器無法通信時用于復位微控制器，以及操控CY8C9529看門狗。看門狗設置是完全可配置的，并且可用于為應用程序代碼增加額外的穩(wěn)健性。

擴展微控制器功能的技巧和訣竅

目前有許多技術可幫助擴展微控制器的功能。以下是一些有幫助的技巧和訣竅：

使用I²C連接外部設備。該接口只需兩個引腳，并且支持多個從設備。
在將某個零件設計成硬件之前，先購買一個開發(fā)板，或?qū)⑿酒附拥綌U展板上，測試其能否滿足您的系統(tǒng)需求。
使用I²C總線工具與擴展器件連接，并了解其工作情況，這樣可大幅提升軟件的開發(fā)速度。
在軟件開發(fā)過程中，使用總線分析器監(jiān)視與外部設備的通信，最大限度縮短調(diào)試時間。
如果可能，選擇配有外部看門狗定時器的器件，這可以作為一種工具，為系統(tǒng)設計增加穩(wěn)健性。
在連接片外存儲器獲取數(shù)據(jù)（非配置數(shù)據(jù)）時，請使用SPI等高速接口。
如果設備返回否定應答 (NAK) 信號，或者總線受到拖累，請確保微控制器的I²C驅(qū)動程序可以處理此類問題。對于這些驅(qū)動程序來說，在收到意外響應時忽略錯誤并進入無限循環(huán)的情況并不罕見。

本文小結(jié)

當設計進展到微控制器無法繼續(xù)提供更多I/O時，開發(fā)人員無需將現(xiàn)有的設計推倒重來。相反，他們可以使用外設芯片，以便為系統(tǒng)增加額外的功能。

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