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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，我記得不止一次考慮簡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更容易。這絕對不會有幫助，我很高興我堅持不懈地通過挑戰尋找解決方案，但在我的職業生涯中，仍有一些時候我已經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，沒有什么可以放松的。在需要與多個傳感器和螺線管連接的應用中，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。單個端口可能包含 8 到 32 個獨立的 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單的解決方案。然而，選擇更高引腳數的微控制器通常會增加組件成本。此外，根據遷移的類型，底層固件可能會受到很大影響。
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，固件修改很小或沒有必要。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發工具為完全不同的架構編寫固件。
一般來說，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 引腳有限的問題，因為每個 IC 會占用 3 個引腳。
TPIC6C595 級聯開漏輸出移位寄存器。
更優雅的解決方案是使用串行時鐘移位寄存器，如 74HC595 用于輸出和 74HC165 用于輸入。這些 IC 可以相互級聯，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 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芯片來增加PCB上I/O引腳的限制。顧名思義，微控制器使用 I2C 協議與擴展器芯片接口。使用 I2C 擴展器的優點是能夠使用提供的命令將單個引腳配置為輸入或輸出。
您還可以通過將硬件地址引腳設置為每個 IC 上的唯一地址來連接多個 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發生變化，則可以生成中斷。該微控制器輪詢I2C擴展為新的輸入值只有當中斷被觸發。
在某種程度上，中斷驅動輪詢方法比不斷從級聯移位寄存器移位值以檢查值變化更有效。
PCB 布局考慮
級聯移位寄存器和 I2C 擴展器都需要微控制器和 IC 之間的時鐘和數據信號。將接口信號以相等的長度相互靠近布線，以防止時鐘信號中出現毛刺，這一點很重要。走線也應遠離其他高速信號，以防止交叉耦合問題。