擔(dān)心微控制器I/O不夠用？讓外部I/O擴(kuò)展器件幫你解憂！

時(shí)間：2021-09-16 14:17:48

關(guān)鍵字： IO 微控制器擴(kuò)展器

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

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

出現(xiàn)第一個(gè)問題時(shí)，開發(fā)人員經(jīng)常不得不購買更昂貴且功能更強(qiáng)的微控制器。而面對第二個(gè)問題時(shí)，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(shí)間可能會(huì)多得令人難以承受。

要同時(shí)解決這兩個(gè)問題，一種潛在的解決方案是使用外部I/O擴(kuò)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(shí)，這種方法還能讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有前瞻性，以應(yīng)對功能蠕變、目標(biāo)市場擴(kuò)張、客戶功能請求和微控制器選擇不當(dāng)（這種情況時(shí)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(kuò)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(chǔ)器存儲(chǔ)、脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 甚至看門狗定時(shí)器功能。

選擇擴(kuò)展接口

微控制器配有多個(gè)不同的片載外設(shè)接口，可用于與外部設(shè)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(shè)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(luò) (CAN)
Wi-Fi

其中最適合與外部擴(kuò)展設(shè)備通信的接口是I²C和SPI。

I²C是一種兩線總線，傳統(tǒng)的運(yùn)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(shè)備。其中一條線是專用的時(shí)鐘引腳，而另一條線則用于主設(shè)備和從設(shè)備之間的雙向通信。通常情況下，微控制器充當(dāng)主設(shè)備，外部設(shè)備充當(dāng)從設(shè)備。從設(shè)備可使用7位或10位尋址方案進(jìn)行尋址。

SPI是一種三線總線接口，運(yùn)行速率介于1Mb/s和12Mb/s之間。SPI總線配有專用的主設(shè)備輸出數(shù)據(jù)線、從設(shè)備輸出數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘。微控制器同樣配置為主設(shè)備，使用“從設(shè)備選擇”線與從設(shè)備通信。每個(gè)與微控制器連接的從設(shè)備都需要一個(gè)專用輸出引腳，用于選擇它進(jìn)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(shè)備，他們可能很快就會(huì)用盡 I/O 線，然后選擇從設(shè)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(shí)鐘就需要三條I/O線，剩下的八條線除了與從設(shè)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(yīng)用的要求，但某些時(shí)候，設(shè)計(jì)人員仍可能需要對I/O進(jìn)行擴(kuò)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(gè)（圖片來源：STMicroelectronics）

一般情況下，經(jīng)驗(yàn)法則非常簡單：添加以下功能時(shí)使用I²C總線：

I/O
PWM
EEPROM
看門狗定時(shí)器

SPI 總線應(yīng)該用于增加諸如為SD卡提供高速存儲(chǔ)器訪問等功能。

擴(kuò)展通用I/O

有相當(dāng)多的集成電路可支持通過I²C接口來擴(kuò)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?yàn)樗话粋€(gè)用于執(zhí)行輸入和輸出的寄存器。單個(gè)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(jìn)行尋址。這一特性增加了設(shè)計(jì)的靈活性，因此開發(fā)人員可以為PCA8574選擇從設(shè)備地址，并且可在一個(gè)設(shè)計(jì)中使用多個(gè)從設(shè)備地址。

圖2：NXP的PCA8574是一款準(zhǔn)雙向8位I/O I²C擴(kuò)展器。該擴(kuò)展器只有一個(gè)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(rèn)情況下，P0至P7在上電時(shí)配置為輸入。讀取單個(gè)內(nèi)部寄存器時(shí)將為器件上的各個(gè)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(shí)用作輸入和輸出，因此對寄存器的寫入也會(huì)設(shè)置相應(yīng)的位輸出。

輸出驅(qū)動(dòng)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(gè)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(kuò)展器是一款非常有用的擴(kuò)展器件。該器件在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)特別有用。當(dāng)微控制器未執(zhí)行任何操作時(shí)，可將其設(shè)為休眠模式，此時(shí)PWM擴(kuò)展器可負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)LED狀態(tài)。

關(guān)于如何使用PWM擴(kuò)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(kuò)展芯片。MAX7315配有8個(gè)PWM端口，并具有LED強(qiáng)度控制功能，這樣可以輕松涵蓋驅(qū)動(dòng)RGB開關(guān)所需的3個(gè)通道，使得單個(gè)器件能夠驅(qū)動(dòng)若干開關(guān)和一些獨(dú)立的LED。此外，MAX7315還有第9個(gè)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(fù)雜一些，因?yàn)樗鄠€(gè)寄存器。因此，開發(fā)人員必須尋址從設(shè)備，提供其有興趣讀取或?qū)懭氲拇鎯?chǔ)器地址，然后執(zhí)行寫入或讀取。MAX7315的存儲(chǔ)器映射如圖4所示。

圖4：MAX7315 PWM控制器配有8個(gè)輸出端口，其中包括LED強(qiáng)度功能。該器件的寄存器映射非常簡單，允許輕松訪問高級(jí)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(jí) PWM 功能。

配有WDT、EEPROM和PWM的組合型擴(kuò)展器

如圖所示，I²C總線I/O擴(kuò)展器在用作獨(dú)立器件時(shí)可能非常強(qiáng)大。也就是說，這種擴(kuò)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(kuò)展器，這類擴(kuò)展器在一個(gè)IC封裝中包含了多個(gè)外設(shè)擴(kuò)展。CY8C9520A共有三種擴(kuò)展形式：20位、40位或60位擴(kuò)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(kuò)展器。該擴(kuò)展器允許將擴(kuò)展引腳配置為輸入、輸出或PWM。（圖片來源：Cypress Semiconductor）

除I/O擴(kuò)展外，CY8C9520還配有EEPROM，可用于存儲(chǔ)重要的應(yīng)用設(shè)置（如序列號(hào)）以及其他重要的配置參數(shù)。

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

擴(kuò)展微控制器功能的技巧和訣竅

目前有許多技術(shù)可幫助擴(kuò)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(shè)備。該接口只需兩個(gè)引腳，并且支持多個(gè)從設(shè)備。
在將某個(gè)零件設(shè)計(jì)成硬件之前，先購買一個(gè)開發(fā)板，或?qū)⑿酒附拥綌U(kuò)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(kuò)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(shè)備的通信，最大限度縮短調(diào)試時(shí)間。
如果可能，選擇配有外部看門狗定時(shí)器的器件，這可以作為一種工具，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加穩(wěn)健性。
在連接片外存儲(chǔ)器獲取數(shù)據(jù)（非配置數(shù)據(jù)）時(shí)，請使用SPI等高速接口。
如果設(shè)備返回否定應(yīng)答 (NAK) 信號(hào)，或者總線受到拖累，請確保微控制器的I²C驅(qū)動(dòng)程序可以處理此類問題。對于這些驅(qū)動(dòng)程序來說，在收到意外響應(yīng)時(shí)忽略錯(cuò)誤并進(jìn)入無限循環(huán)的情況并不罕見。

本文小結(jié)

當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)展到微控制器無法繼續(xù)提供更多I/O時(shí)，開發(fā)人員無需將現(xiàn)有的設(shè)計(jì)推倒重來。相反，他們可以使用外設(shè)芯片，以便為系統(tǒng)增加額外的功能。

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