При разработке промышленных контроллеров и других уст­ройств часто требуется реализовать некоторое количество линий цифрового ввода-вывода. Таких линий может потребо­ваться довольно много, поэтому задействовать для каждой линии отдельный порт микроконтроллера не всегда возможно. В такой ситуации может помочь рассматриваемый ниже рас­ширитель ввода-вывода.

                                                 Подсистема цифрового ввода-вывода

Порты ввода-вывода должны отвечать ряду требо­ваний. Выходные линии должны обеспечивать доста­точный выходной ток, иметь защиту от перегрузок по току и напряжению. Входные линии должны иметь за­щиту от перенапряжений и обладать достаточной по­мехозащищенностью. В то же время должна обеспе­чиваться совместимость с различными логическими уровнями. Для экономии количества контактов разъе­мов удобно совмещать входные и выходные линии, а направление обмена задавать программно. Для реа­лизации двунаправленых линий цифрового ввода-вы­вода хорошо подходят сдвиговые регистры. Принци­пиальная схема подсистемы цифрового ввода-вывода показана на рис. 1.

Выходные линии с открытыми стоками удобно реализовывать на микросхемах TPIC6C595D. Эти микро­схемы имеют выходной каскад, который допускает ток до 100 мА и напряжение до 30 В. Выходное напряже­ние ограничивается на уровне 33 В специальной внут­ренней схемой, что защищает выходной транзистор от выбросов напряжения при коммутации индуктивной нагрузки. Каждый выход имеет встроенную защиту от перегрузок по току с уровнем ограничения 250 мА.

Цифровые входы можно реализовать на обычном сдвиговом регистре с параллельным входом и после­довательным выходом, например, 74HC597D. Для того, чтобы защитить его от высокого входного напря­жения, в схеме применены диодные сборки VD1 ...VD8.  

Эти сборки включены таким образом, что внешние сигналы могут обеспечить на входах регистра только уровень логического нуля, а уровень логической еди­ницы обеспечивается подтягивающими резисторами R1 .R8 Диоды также защищают входы от выбросов отрицательной полярности.   

Для управления регистрами требуется несколько цифровых сигналов. В первую очередь, это линии стандартного последовательного интерфейса SPI: MOSI, MISO и SCK. Линия LOAD по фронту осуществ­ляет защелкивание данных в выходном регистре и может быть использована как выборка устройства, если на шине SPI находится много устройств. Линия ОЕ позволяет выключать все цифровые выходы од­новременно. Она используется, в частности, для пре­дотвращения появления на выходах случайной инфор­мации в промежутке между включением питания и загрузкой выходного регистра. Захват входных дан­ных происходит по фронту SCK при НИЗКОМ уровне сигнала SRLOAD регистра DD2. Для экономии линий управления этот сигнал объединен с линией данных MOSI, в результате для загрузки данных в регистр DD2 можно передать по SPI нулевой байт.

Сдвиговые регистры хороши еще и тем, что их можно каскадировать, включая в последовательную цепочку. Таким способом можно наращивать количество линий цифрового ввода-вывода, не расходуя порты микрокон­троллера. Для каскадирования выходных регистров нужно выход SER OUT предыдущего регистра подклю­чить ко входу SER IN последующего. Для каскадиро­вания входных регистров нужно выход ОН предыду­щего регистра подключить ко входу SER последующе­го. Остальные сигналы регистров подключаются па­раллельно.

Эквивалентная схема линии цифрового ввода вы­вода показана на рис. 2.

 Выходы шунтируют собой входные линии, поэтому для работы на ввод нужно вывести в соответствующие разряды высокий уро­вень. Из-за диодов, логический порог линий цифрово­го ввода оказывается примерно на 0,7 В ниже, чем у регистра DD2 и составляет примерно 1,7 В. Такой по­рог хорошо согласуется как с ТТЛ, так и с КМОП уров­нями. Кроме того, линии цифрового ввода можно ис­пользовать для приема сигналов с уровнем 24 В с ре­лейной логики.

Леонид Ридико

г. Минск

E-mail: wubblick@yahoo.com