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如何扩展微控制器的输入和输出
如何扩展微控制器的输入和输出
在我接受教育的早期练习电路板和原理图时，我记得不止一次考虑简单地增加电路板尺寸，以便我可以正确安装我的组件并使布线更容易。这绝对不会有帮助，我很高兴我坚持不懈地通过挑战寻找解决方案，但在我的职业生涯中，仍有一些时候我已经研究了设备的必需品，并希望我能让他们的电路板更大。
这同样适用于微控制器输入和输出。不幸的是，当微控制器达到其输入或输出限制时，没有什么可以放松的。在需要与多个传感器和螺线管连接的应用中，输入/输出 (I/O) 引脚可能不够用。在这种情况下，有许多选项可用，每个选项都有自己的一组含义。
使用更高引脚数的微控制器
微控制器中的 I/O 引脚通常按端口分组。单个端口可能包含 8 到 32 个独立的 I/O 引脚，具体取决于微控制器架构。将微控制器升级到更高的引脚数似乎是最简单的解决方案。然而，选择更高引脚数的微控制器通常会增加组件成本。此外，根据迁移的类型，底层固件可能会受到很大影响。
I/O 引脚因不同的微控制器而异。
在同一微控制器系列中升级时，固件修改很小或没有必要。但是，从 8 位微控制器（如 PIC18F25K20）升级到 32 位基于 ARM 的微控制器（如 LPC1768）涉及使用一组单独的开发工具为完全不同的架构编写固件。
一般来说，32 位微控制器的成本是 8 位微控制器的数倍。因此，仅仅为了更多的 I/O 引脚而升级可能是一种矫枉过正的做法。
使用 7400 系列逻辑 IC
为避免将固件移植到全新平台，7400 系列逻辑系列中有一些集成电路 (IC) 选项非常适合 I/O 扩展。例如，74HC4051 是一款 3:8 CMOS多路复用器/多路分解器，也可用于模拟信号。当然，使用多路复用器并不能完全解决微控制器上 I/O 引脚有限的问题，因为每个 IC 会占用 3 个引脚。
TPIC6C595 级联开漏输出移位寄存器。
更优雅的解决方案是使用串行时钟移位寄存器，如 74HC595 用于输出和 74HC165 用于输入。这些 IC 可以相互级联，限制是将字节转移到所有 IC 的延迟。使用移位寄存器只涉及微控制器上的三个 I/O 引脚，而不管 IC 的数量如何。
I2C 扩展 GPIO IC
您也可以使用I2C扩展GPIO芯片来增加PCB上I/O引脚的限制。顾名思义，微控制器使用 I2C 协议与扩展器芯片接口。使用 I2C 扩展器的优点是能够使用提供的命令将单个引脚配置为输入或输出。
您还可以通过将硬件地址引脚设置为每个 IC 上的唯一地址来连接多个 I2C 扩展器。I2C 扩展器通常具有特殊的中断功能，如果输入引脚从其先前状态发生变化，则可以生成中断。该微控制器轮询I2C扩展为新的输入值只有当中断被触发。
在某种程度上，中断驱动轮询方法比不断从级联移位寄存器移位值以检查值变化更有效。
PCB 布局考虑
级联移位寄存器和 I2C 扩展器都需要微控制器和 IC 之间的时钟和数据信号。将接口信号以相等的长度相互靠近布线，以防止时钟信号中出现毛刺，这一点很重要。走线也应远离其他高速信号，以防止交叉耦合问题。