主芯片IO口復(fù)用設(shè)計(jì)方案研究

李蔭瓏 丘珊珊

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

1 設(shè)計(jì)背景概況

隨著消費(fèi)者的審美觀的提高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的美觀感、人性化設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高，目前，在空調(diào)控制器設(shè)計(jì)中，需要很多引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)各種輸入檢測(cè)和輸出控制。因?yàn)槌杀驹颍３２荒苓x擇更多引腳的芯片，而需要合理利用低成本芯片，將芯片原本有的資源利用到極致[1]。在使用過(guò)程中，許多用戶也發(fā)現(xiàn)了單片機(jī)的部分缺點(diǎn)，最典型的缺點(diǎn)是：輸入輸出（IO）端口有限。因此如何增加和有效利用單片機(jī)的端口成為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)[2]。如需要實(shí)現(xiàn)更多功能，需要更多的IO口必不可免，可根據(jù)功能需要設(shè)計(jì)IO口復(fù)用電路，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，選擇相應(yīng)的復(fù)用電路，有效解決主芯片IO口的緊缺問(wèn)題，在芯片選型上，便可選擇低成本的主芯片，在IO口的復(fù)用方案上，主要有以下幾種方案，選擇口電路與顯示電路復(fù)用、撥碼開(kāi)關(guān)電路與顯示電路復(fù)用、選擇口電路與2003芯片驅(qū)動(dòng)電路復(fù)用、按鍵電路與顯示電路的復(fù)用，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品功能，設(shè)計(jì)不同的方案。

2 IO口復(fù)用硬件設(shè)計(jì)

2.1 與2003芯片復(fù)用

當(dāng)選擇口較多，且主芯片IO口資源有限時(shí)，可設(shè)計(jì)選擇口與2003芯片復(fù)用，芯片口上電設(shè)置為輸入口，檢測(cè)選擇口狀態(tài)，確定選擇口狀態(tài)后，將芯片口設(shè)置為輸出口，用于驅(qū)動(dòng)2003芯片。此處選擇口主要為上電時(shí)需要確定的某一種狀態(tài)，例如：機(jī)型選擇口、快測(cè)口等；2003芯片，主要用于負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，例如：步進(jìn)電機(jī)、電子膨脹閥等負(fù)載，以步進(jìn)電機(jī)的復(fù)用為例，其電路原理圖可按如圖1 所示。圖中2003芯片用于驅(qū)動(dòng)掃風(fēng)電機(jī)，R1、R2、R3、R4為復(fù)用選擇口時(shí)所用的上拉電阻。以其中一路為例，做為選擇口時(shí)，通過(guò)上拉電阻R1可確定高電平狀態(tài)，如果不裝上拉電阻時(shí)，通過(guò)限流電阻R5以及2003內(nèi)部電阻下拉到低，確定低電平狀態(tài)，此可實(shí)現(xiàn)選擇功能，確定選擇功能后，正常作為2003的驅(qū)動(dòng)口使用。

使用該復(fù)用電路，可節(jié)省4 個(gè)IO口，如果2003芯片管腳全使用的情況下，最多可節(jié)省7 個(gè)IO口。對(duì)于該電路設(shè)計(jì)，需要使用2003芯片內(nèi)部固定的電阻，在外圍電路的上拉電阻、芯片口限流電阻，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選定，確保高低電平的可靠性。以其中一路為例，R1以及R5的選型需要滿足芯片口的拉電流、灌電流、高低電平輸入電壓等要求。當(dāng)選擇口需要低電平時(shí)，即不安裝上拉電阻R1時(shí)，具體的計(jì)算如下：拉電流I1=（5-0.7-0.7）/（R5+R內(nèi)），此驅(qū)動(dòng)電流不得大于主芯片IO口的驅(qū)動(dòng)電流（拉電流）。當(dāng)選擇口需要高電平時(shí)，即安裝上拉電阻R1時(shí)，具體的計(jì)算方法如下：拉電流I2=（5-0.7-0.7）/（5-0.7-0.7）/（R5+R 內(nèi)），灌電流I3=5/R1，輸入電壓V=（5-0.7-0.7）*（(R5+R內(nèi))/（R5+R內(nèi)+R1））+1.4。（注：R內(nèi)為2003芯片內(nèi)部限流電阻，一般為2.7 K，此外需要考慮R1、R5、R內(nèi)等電阻的極限電阻值，例如部分電阻有1 % 或5 % 的阻值偏差）。拉電流、灌電流、輸入電壓均需要滿足主芯片的規(guī)格要求，根據(jù)以上的計(jì)算公式，便可確定上拉電阻以及限流電阻的阻值，確保主芯片IO口的輸入輸出均可滿足芯片要求。避免造成芯片損壞或功能缺失。實(shí)現(xiàn)選擇口與2003芯片的復(fù)用，實(shí)現(xiàn)IO口復(fù)用的可行性，從而較少IO口芯片的使用。

2.2 與顯示電路復(fù)用

顯示的使用應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如空調(diào)的溫度、模式顯示，小家電產(chǎn)品的功能指示燈等，顯示模塊主要涉及數(shù)碼管、LED指示燈等，其一般以共陰極或共陽(yáng)極進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，常用的顯示驅(qū)動(dòng)方式有陰極掃描、陽(yáng)極掃描，其占用芯片管腳最少需要9 個(gè)IO口，如在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，主芯片資源較少時(shí)，可設(shè)計(jì)與顯示電路復(fù)用的方案，具體電路原理圖如圖2所示，圖中涵蓋了撥碼開(kāi)關(guān)與顯示電路的復(fù)用、快測(cè)口與顯示電路的復(fù)用、選擇口與顯示電路的復(fù)用、開(kāi)關(guān)按鍵與顯示電路的復(fù)用。

顯示掃描與復(fù)用功能（撥碼檢測(cè)、快測(cè)口、按鍵檢測(cè)、選擇口檢測(cè)等）使用分時(shí)復(fù)用的方式進(jìn)行檢測(cè)和顯示驅(qū)動(dòng)（注：圖2中，陰極A～G，使用低電平掃描），可配置0.625 ms的定時(shí)中斷，顯示掃描及復(fù)用檢測(cè)功能放至中斷中處理，0.625 ms分時(shí)處理顯示驅(qū)動(dòng)和復(fù)用功能的檢測(cè)，為減少中斷的處理時(shí)間，中斷中僅處理驅(qū)動(dòng)的掃描以及復(fù)用功能的掃描檢測(cè)，具體的顯示內(nèi)容以及復(fù)用功能的處理放至主循環(huán)中，此可提高中斷的執(zhí)行效率。需要注意的是，在處理顯示過(guò)程中，需要合理操作位碼、段碼開(kāi)通和關(guān)閉時(shí)序，可解決顯示漏光的問(wèn)題。例如：共陽(yáng)極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)，進(jìn)行陰極掃描，關(guān)斷順序?yàn)殛P(guān)陽(yáng)極，再關(guān)陰極；開(kāi)通順序?yàn)橄乳_(kāi)陰極，再開(kāi)陽(yáng)極；共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)，陰極掃描方式，關(guān)斷、開(kāi)通順序則反之。

電路圖中二極管，其在電路中的作用主要為多路復(fù)用功能同時(shí)起作用時(shí)（例如兩個(gè)按鍵同時(shí)按下），防止相互影響，防止檢測(cè)錯(cuò)誤。圖2中數(shù)碼管A～G口掃描低電平，二極管方向不可更改，如果端口A～G掃描輸出為高電平，則需要更改二極管方向，上拉電阻更改為下拉。如果復(fù)用電路中無(wú)二極管，則兩個(gè)按鍵按下或多個(gè)復(fù)用功能起作用時(shí)，復(fù)用功能檢測(cè)不正確，且會(huì)影響顯示，故此處的二極管不可少，二極管的選型需要根據(jù)具體主芯片電氣特性決定，如主芯片檢測(cè)的低電平要求的電壓較高，可選擇導(dǎo)通壓降較高的二極管，反之，則需要選擇導(dǎo)通壓降較低的二極管，避免主芯片無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)到可靠的低電平信號(hào)。也可在公共端使用三極管，利用三級(jí)管的開(kāi)關(guān)確定輸出狀態(tài)，如此便可不考慮二極管的導(dǎo)通壓降，選擇較低成本的二極管便可。

根據(jù)此電路設(shè)計(jì)方案，使用分時(shí)復(fù)用的方式，可有效減少IO口的數(shù)量，適用于IO口資源少的主芯片設(shè)計(jì)中，根據(jù)此電路的設(shè)計(jì)，增加一個(gè)IO口，便可設(shè)計(jì)8 個(gè)（8 段位選）按鍵（或者選擇口、撥碼開(kāi)關(guān)、快測(cè)口等）。相對(duì)于單獨(dú)顯示、單獨(dú)按鍵驅(qū)動(dòng)、單獨(dú)撥碼開(kāi)關(guān)或是單獨(dú)的選擇口配置電路，此方案有效節(jié)省IO口，功能靈活可靠。

3 IO口復(fù)用軟件設(shè)計(jì)

3.1 與2003芯片復(fù)用

在軟件設(shè)計(jì)中，上電初始化將復(fù)用的IO口設(shè)置成輸入口，在主函數(shù)循環(huán)處理之前，讀取完成選擇口的狀態(tài)（高低電平），此需要注意的是，讀取選擇口時(shí)，注意防抖操作，此方案可選擇連續(xù)時(shí)間讀取相同狀態(tài)，如果在此連續(xù)時(shí)間內(nèi)，讀取狀態(tài)一致，則確定選擇口功能。待完成讀取選擇口功能后，將復(fù)用的IO口設(shè)置成輸出狀態(tài)，進(jìn)行輸出驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的負(fù)載操作。

3.2 與顯示電路復(fù)用

配置一個(gè)定時(shí)中斷，每間隔0.625 ms進(jìn)入中斷處理，顯示驅(qū)動(dòng)以及復(fù)用電路的檢測(cè)，通過(guò)分時(shí)復(fù)用的方式進(jìn)行處理。

上電初始化時(shí)，將顯示模塊的段選、位選端口設(shè)置成輸出狀態(tài)，默認(rèn)高電平或是低電平（根據(jù)具體電路確定，原則是上電數(shù)碼管或是LED指示燈不點(diǎn)亮），復(fù)用端口的檢測(cè)口設(shè)置成輸入狀態(tài)。

進(jìn)入顯示驅(qū)動(dòng)處理時(shí)，每次進(jìn)入顯示處理，輪流對(duì)位選端口輸出低電平，當(dāng)需要點(diǎn)亮某一路的LED段時(shí)，通過(guò)公共端口輸出高電平（根據(jù)實(shí)際電路設(shè)計(jì)確定，共陰極，公共端需要高電平，位選端需要低電平），便可點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的LED。

進(jìn)入復(fù)用電路檢測(cè)時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)顯示位選依次輸出的控制（低電平），當(dāng)有按鍵按下時(shí)，復(fù)用端口便可檢測(cè)到低電平狀態(tài)（如無(wú)按鍵按下，則為高電平），便可檢測(cè)是否有按鍵按下，同理，撥碼開(kāi)關(guān)檢測(cè)、選擇口檢測(cè)、快測(cè)口檢測(cè)，如果檢掃描到該位選時(shí)，檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的低電平狀態(tài)，便可確定撥碼開(kāi)關(guān)、選擇口、快測(cè)口的狀態(tài)。在檢測(cè)復(fù)用功能時(shí)，需要做防抖處理，一般情況，為了不增加硬件成本，首選軟件防抖的形式，可使用芯片底層輸入防抖配置或軟件功能進(jìn)行檢測(cè)延時(shí)處理，即通過(guò)連續(xù)時(shí)間采樣到相同的高電平或是低電平信息，才確定有效輸入狀態(tài)。

程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意該輸出端口是否為漏極開(kāi)路口，如果是，確定該芯片是否可進(jìn)行軟件設(shè)置（設(shè)置成普通輸出口），如果不能進(jìn)行軟件設(shè)置，需要在該端口配置上拉電阻，確?？奢敵龈唠娖綘顟B(tài)，也避免開(kāi)發(fā)工作來(lái)回修改。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)復(fù)用電路及軟件設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品使用中，測(cè)試控制器電路板上相關(guān)波形，如下圖3為測(cè)試與顯示電路復(fù)用方案中，芯片口測(cè)試波形。綠色為復(fù)用口均導(dǎo)通（安裝電阻或按鍵按下或撥碼開(kāi)關(guān)撥至ON位置）時(shí)芯片口波形，當(dāng)陰極輸出掃描低電平時(shí)，芯片檢測(cè)均為低電平，測(cè)試波形符合設(shè)計(jì)要求。黃色線為復(fù)用電路中其中6 路導(dǎo)通，2 路不導(dǎo)通的情況，當(dāng)陰極輸出掃描低電平時(shí)，其中2 路檢測(cè)為高電平外，其余均為低電平，測(cè)試波形符合設(shè)計(jì)。根據(jù)測(cè)試情況，高點(diǎn)平4.63 V，低電平0 V，滿足主芯片檢測(cè)高低電平電壓要求。

圖4為單按鍵按下時(shí)，按鍵檢測(cè)口測(cè)試波形圖，測(cè)試高電平時(shí)長(zhǎng)1.25 ms，占總時(shí)長(zhǎng)的1/8，測(cè)試數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5為上電時(shí)刻，與顯示電路復(fù)用芯片口檢測(cè)波形，軟件設(shè)計(jì)對(duì)選擇口、撥碼開(kāi)關(guān)、快測(cè)口等需要掉電配置有效檢測(cè)的功能進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)完成后，釋放相應(yīng)的端口。根據(jù)實(shí)際測(cè)試波形所示，上電后，先進(jìn)行復(fù)用口檢測(cè)，使用16 次防抖檢測(cè)（16 次連續(xù)檢測(cè)狀態(tài)有效），檢測(cè)有效后，程序運(yùn)行其他功能，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6為2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)的復(fù)位電路上電時(shí)芯片輸出波形，上電后先進(jìn)行選擇口判斷，上電時(shí)IO口為輸入口，理論計(jì)算檢測(cè)高電平為4.48 V，實(shí)際測(cè)試4.52 V，待確認(rèn)后，芯片口做輸出驅(qū)動(dòng)2003，根據(jù)實(shí)際測(cè)試波形，滿足設(shè)計(jì)需求。

5 總結(jié)

如上IO口復(fù)用的硬件軟件方案，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試、分析、運(yùn)用到產(chǎn)品中，方案可行?？烧_驅(qū)動(dòng)2003的同時(shí)，可正確檢測(cè)選擇口狀態(tài)；在顯示正常情況，按鍵檢測(cè)無(wú)異常，選擇口、撥碼開(kāi)關(guān)、快測(cè)口檢測(cè)正確。且多按鍵、按鍵與撥碼開(kāi)關(guān)、快測(cè)口與選擇口等多復(fù)用電路之間相互無(wú)影響、不干涉；軟硬件設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定可靠，可大范圍推廣使用。

通過(guò)以上兩種方案，在日常電子控制器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，可有效解決主芯片IO口短缺的問(wèn)題，目前，家電產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品等各行各業(yè)均在降低開(kāi)發(fā)成本，主芯片有從60引腳（或是更多引腳數(shù)量）降低到32引腳，按以往的設(shè)計(jì)思路，儼然不能滿足目前的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需求，需要尋求降低IO口的設(shè)計(jì)方案，顯然，以上兩種方案設(shè)計(jì)滿足目前低成本芯片的開(kāi)發(fā)需求，且軟硬件開(kāi)發(fā)難度不大，可推廣性強(qiáng)。

此方案可推廣使用的場(chǎng)所范圍較廣，需要使用到2003驅(qū)動(dòng)，具有顯示（數(shù)碼管或者LED指示燈）功能的控制器均可使用，例如家電產(chǎn)品、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備以及智能產(chǎn)品等，均可運(yùn)用此設(shè)計(jì)方案，以解決引腳欠缺的問(wèn)題。