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(duì)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，這種器件通常可連接到微控制器的 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(duì)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(duì)功能蠕變、目標(biāo)市場(chǎng)擴(kuò)張、客戶功能請(qǐng)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）：
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 400 kb/s，但也有一些可支持 1 Mb/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 1 Mb/s和 12 Mb/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(duì) 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(jiǎn)單：添加以下功能時(shí)使用 I2C 總線：
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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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。
擴(kuò)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 按鈕或 Schurter Electronic Components 的 3-101-399 SPST RGB 按鈕（圖 3）。
圖 3：Schurter 的 RGB 按鈕在按鈕周圍配有紅綠藍(lán) LED，可允許開發(fā)人員創(chuàng)建亮色圖案。這些類型的器件非常適合由 PWM 擴(kuò)展芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。（圖片來源：Schurter）
Schurter 的 RGB 按鈕在 SPST 按鈕周圍配有紅綠藍(lán) LED，可允許開發(fā)人員創(chuàng)建亮色圖案。這些類型的應(yīng)用非常適合 PWM 擴(kuò)展芯片。
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(cè)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。
| 寄存器地址代碼（十六進(jìn)制）自動(dòng)增量地址Rad 輸入端口0x000x00（無變化）閃爍相位 0 輸出0x010x01（無變化）端口配置0x030x03（無變化）閃爍相位 1 輸出0x090x09（無變化）主設(shè)備，O8 強(qiáng)度0x0E0x0E（無變化）配置0x0F0x0F（無變化）輸出強(qiáng)度 P1、P00x100x11輸出強(qiáng)度 P3、P20x110x12輸出強(qiáng)度 P5、P40x120x13輸出強(qiáng)度 P7、P60x130x10 |
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(jiǎn)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(jiǎn)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(cè)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(qǐng)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(qǐng)確保微控制器的 I2C 驅(qū)動(dòng)程序可以處理此類問題。對(duì)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。
結(jié)論
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。
