I/O

虽然现在单片机的EMC做的很好,但有很多场合依然有很强的干扰信号,就比如我做了多年激光产品,激光瞬间功率很大,势必会对整个系统造成干扰。

针对电气控制产品的特点,本文讨论了几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路的设计方法,对合理地设计电气控制系统,提高电路的接口能力,增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。

输入电路设计

一般输入信号最终会以开关形式输入到单片机中,以工程经验来看,开关输入的控制指令有效状态采用低电平比采用高电平效果要好得多,如图1所示。当按下开关S1时,发出的指令信号为低电平,而平时不按下开关S1时,输出到单片机上的电平则为高电平。该方式具有较强的耐噪声能力。

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图1 开关信号输入

若考虑到由于TTL电平电压较低,在长线传输中容易受到外界干扰,可以将输入信号提高到+24 V,在单片机入口处将高电压信号转换成TTL信号。这种高电压传送方式不仅提高了耐噪声能力,而且使开关的触点接触良好,运行可靠,如图2所示。其 中,D1为保护二极管,反向电压≥50 V。

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图2 提高输入信号电平

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图3 输入端保护电路

为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚,可以在输入端增加防脉冲的二极管,形成电阻双向保护电路,如图3所示。二极管D1、D2、 D3的正向导通压降UF≈0.7 V,反向击穿电压UBR≈30 V,无论输入端出现何种极性的破坏电压,保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即:VI~VCC出现正脉冲时,D1正向导 通;VI~VCC出现负脉冲时,D2反向击穿;VI与地之间出现正脉冲时,D3反向击穿;VI与地之间出现负脉冲时,D3正向导通,二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5~2.5 kΩ,与输入电容C构成积分电路,对外界感应电压延迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于τ,则输入端承受的有效电压将远低于其幅度;若时间较长,则D1 导通,电流在RS上形成一定的压降,从而减小输入电压值。

此外,一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4所示,R为输入限流电阻,使光耦中的发光二极管电流限制在10~20 mA。输入端靠光信号耦合,在电气上做到了完全隔离。

同时,发光二极管的正向阻抗值较低,而外界干扰源的内阻一般较高,根据分压原理,干扰源能馈送到输入 端的干扰噪声很小,不会产生地线干扰或其他串扰,增强了电路的抗干扰能力。

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图4 输入端光耦隔离

在满足功能的前提下,提高单片机输入端可靠性最简单的方案是:在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲,或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。

输出电路设计

单片机输出端口受驱动能力的限制,一般情况下均需专用的接口芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别,但一般情况下均满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。

1.直接耦合

在采用直接耦合的输出电路中,要避免出现图5所示的电路。

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图5 错误的输出电路

T1截止、T2导通期间,为了对T2提供足够的基极电流,R2的阻值必须很小。因为T2处于射极跟随器方式工作,因此为了减少T2损耗,必须将集射间电压降控制在较小范围内。

这样集基间电压也很小,电阻R2阻值很小才能提供足够的基极电流。R2阻值过大,会大幅度增加T2压降,引起T2发热严重。而在T2截止期间,T1必须导通,高压+15 V全部降在电阻R2上,产生很大的电流,显然是不合理的。

另外,T1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位,引起输出端不稳定。T2基极被T1拉 到地电位,若其后接的是感性负载,由于绕组反电势的作用,T2的发射极可能存在高电平,容易引起T2管基射结反向击穿。

图6为一直接耦合输出电路,由T1和T2组成耦合电路来推动T3。T1导通时,在R3、R4的串联电路中产生电流,在R3上的分压大于T2 晶体管的基射结压降,促使T2导通,T2提供了功率管T3的基极电流,使T3变为导通状态。当T1输入为低电平时,T1截止,R3上压降为零,T2截止, 最终T3截止。R5的作用在于:一方面作为T2集电极的一个负载,另一方面T2截止时,T3基极所储存的电荷可以通过电阻R3迅速释放,加快T3的截止速度,有利于减小损耗。

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图6 直接耦合输出电路

2.TTL或CMOS器件耦合

若单片机通过TTL或CMOS芯片输出,一般均采用集电极开路的器件,如图7(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至+15 V电源,提升了驱动电压。但要注意的是,这种电路的开关速度低,若用其直接驱动功率管,则当后续电路具有电感性负载时,由于功率管的相位关系,会影响波形 上升时间,造成功率管动态损耗增大。

为了改善开关速度,可采用2种改进形式输出电路,如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)是能快速开通的改进电路,当TTL输出高电平 时,输出点通过晶体管T1获得电压和电流,充电能力提高,从而加快开通速度,同时也降低了集电极开路TTL器件上的功耗。图7(c)为推挽式的改进电路, 采用这种电路不但可提高开通时的速度,而且也可提高关断时的速度。输出晶体管T1是作为射极跟随器工作的,不会出现饱和,因而不影响输出开关频率。

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图7 TTL或CMOS器件输出电路

3.脉冲变压器耦合

脉冲变压器是典型的电磁隔离元件,单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号,经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接,所以输出是电平浮动的信号,可以直接与功率管等强电元件耦合,如图8所示。

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图8 脉冲变压器输出电路

这种电路必须有一个脉冲源,脉冲源的频率是载波频率,应至少比单片机输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送入控制门G,单片机输出信号 由另一端输入G门。当单片机输出高电平时,G门打开,输出脉冲进入变压器,变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲,通过二极管D1、D2检波后经滤波还 原成开关信号,送入功率管。当单片机输出低电平时,G门关闭,脉冲源不能通过G门进入变压器,变压器无输出。

这里,变压器既传递信号,又传送能量,提高了脉冲源的频率,有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同 推动功率的要求,所以应用起来比较灵活。更重要的是,变压器原副边线圈之间没有电的联系,副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动,不受其电源大小的 影响。

当单片机输出较高频率的脉冲信号时,可以不采用脉冲源和G门,对变压器原副边电路作适当调整即可。

4.光电耦合

光电耦合可以传输线性信号,也可以传输开关信号,在输出级应用时主要用来传递开关信号。

如图9所示,单片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R2为光耦输出晶体管的负载电阻,它的选取应保证:在光耦导通时,其输出晶体管可靠饱和;而在光耦截止时,T1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长,限制了其使用频率。

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图9 光耦输出电路

结语

单片机接口技术在很多资料中均有详细的介绍,但在对大量电气控制产品的改造和设计中,经常会碰到用接口芯片所无法解决的问题(如驱动电流大、开关速度慢、抗干扰差等),因此必须寻求另一种电路解决方案。

上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明,其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。

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围观 31

随着微电子技术和计算机技术的发展,原来以强电和电器为主、功能简单的电气设备发展成为强、弱电结合,具有数字化特点、功能完善的新型微电子设备。在很多场合,已经出现了越来越多的单片机产品代替传统的电气控制产品。属于存储程序控制的单片机,其控制功能通过软件指令来实现,其硬件配置也可变、易变。因此,一旦生产过程有所变动,就不必重新设计线路连线安装,有利于产品的更新换代和订单式生产。

传统电气设备采用的各种控制信号,必须转换到与单片机输入/输出口相匹配的数字信号。用户设备须输入到单片机的各种控制信号,如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量等,通过输入电路转换成单片机能够接收和处理的信号。输出电路则应将单片机送出的弱电控制信号转换、放大到现场需要的强输出信号,以驱动功率管、电磁阀和继电器、接触器、电动机等被控制设备的执行元件,能方便实际控制系统使用。针对电气控制产品的特点,本文讨论了几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路的设计方法,对合理地设计电气控制系统,提高电路的接口能力,增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。

1、输入电路设计

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图1 开关信号输入

一般输入信号最终会以开关形式输入到单片机中,以工程经验来看,开关输入的控制指令有效状态采用低电平比采用高电平效果要好得多,如图1如示。当按下开关S1时,发出的指令信号为低电平,而平时不按下开关S1时,输出到单片机上的电平则为高电平。该方式具有较强的耐噪声能力。

若考虑到由于TTL电平电压较低,在长线传输中容易受到外界干扰,可以将输入信号提高到+24 V,在单片机入口处将高电压信号转换成TTL信号。这种高电压传送方式不仅提高了耐噪声能力,而且使开关的触点接触良好,运行可靠,如图2所示。其中,D1为保护二极管,反向电压≥50 V。

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图2 提高输入信号电平

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图3 输入端保护电路

为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚,可以在输入端增加防脉冲的二极管,形成电阻双向保护电路,如图3所示。二极管D1、D2、D3的正向导通压降UF≈0.7 V,反向击穿电压UBR≈30 V,无论输入端出现何种极性的破坏电压,保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即:VI~VCC出现正脉冲时,D1正向导通;VI~VCC出现负脉冲时,D2反向击穿;VI与地之间出现正脉冲时,D3反向击穿;VI与地之间出现负脉冲时,D3正向导通,二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5~2.5 kΩ,与输入电容C构成积分电路,对外界感应电压延迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于τ,则输入端承受的有效电压将远低于其幅度;若时间较长,则D1导通,电流在RS上形成一定的压降,从而减小输入电压值。

 此外,一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4所示,R为输入限流电阻,使光耦中的发光二极管电流限制在10~20 mA。输入端靠光信号耦合,在电气上做到了完全隔离。同时,发光二极管的正向阻抗值较低,而外界干扰源的内阻一般较高,根据分压原理,干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小,不会产生地线干扰或其他串扰,增强了电路的抗干扰能力。

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图4 输入端光耦隔离

在满足功能的前提下,提高单片机输入端可靠性最简单的方案是:在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲,或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。

2、输出电路设计

单片机输出端口受驱动能力的限制,一般情况下均需专用的接口芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别,但一般情况下均满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。

2.1 直接耦合

在采用直接耦合的输出电路中,要避免出现图5所示的电路。

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图5 错误的输出电路

T1截止、T2导通期间,为了对T2提供足够的基极电流,R2的阻值必须很小。因为T2处于射极跟随器方式工作,因此为了减少T2损耗,必须将集射间电压降控制在较小范围内。这样集基间电压也很小,电阻R2阻值很小才能提供足够的基极电流。R2阻值过大,会大幅度增加T2压降,引起T2发热严重。而在T2截止期间,T1必须导通,高压+15 V全部降在电阻R2上,产生很大的电流,显然是不合理的。另外,T1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位,引起输出端不稳定。T2基极被T1拉到地电位,若其后接的是感性负载,由于绕组反电势的作用,T2的发射极可能存在高电平,容易引起T2管基射结反向击穿。

图6为一直接耦合输出电路,由T1和T2组成耦合电路来推动T3。T1导通时,在R3、R4的串联电路中产生电流,在R3上的分压大于T2晶体管的基射结压降,促使T2导通,T2提供了功率管T3的基极电流,使T3变为导通状态。当T1输入为低电平时,T1截止,R3上压降为零,T2截止,最终T3截止。R5的作用在于:一方面作为T2集电极的一个负载,另一方面T2截止时,T3基极所储存的电荷可以通过电阻R3迅速释放,加快T3的截止速度,有利于减小损耗。

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图6 直接耦合输出电路

2.2 TTL或CMOS器件耦合

若单片机通过TTL或CMOS芯片输出,一般均采用集电极开路的器件,如图7(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至+15 V电源,提升了驱动电压。但要注意的是,这种电路的开关速度低,若用其直接驱动功率管,则当后续电路具有电感性负载时,由于功率管的相位关系,会影响波形上升时间,造成功率管动态损耗增大。

为了改善开关速度,可采用2种改进形式输出电路,如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)是能快速开通的改进电路,当TTL输出高电平时,输出点通过晶体管T1获得电压和电流,充电能力提高,从而加快开通速度,同时也降低了集电极开路TTL器件上的功耗。图7(c)为推挽式的改进电路,采用这种电路不但可提高开通时的速度,而且也可提高关断时的速度。输出晶体管T1是作为射极跟随器工作的,不会出现饱和,因而不影响输出开关频率。

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图7 TTL或CMOS器件输出电路

2.3 脉冲变压器耦合

脉冲变压器是典型的电磁隔离元件,单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号,经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接,所以输出是电平浮动的信号,可以直接与功率管等强电元件耦合,如图8所示。

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图8 脉冲变压器输出电路

这种电路必须有一个脉冲源,脉冲源的频率是载波频率,应至少比单片机输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送入控制门G,单片机输出信号由另一端输入G门。当单片机输出高电平时,G门打开,输出脉冲进入变压器,变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲,通过二极管D1、D2检波后经滤波还原成开关信号,送入功率管。当单片机输出低电平时,G门关闭,脉冲源不能通过G门进入变压器,变压器无输出。

这里,变压器既传递信号,又传送能量,提高了脉冲源的频率,有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同推动功率的要求,所以应用起来比较灵活。更重要的是,变压器原副边线圈之间没有电的联系,副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动,不受其电源大小的影响。

当单片机输出较高频率的脉冲信号时,可以不采用脉冲源和G门,对变压器原副边电路作适当调整即可。

2.4 光电耦合

光电耦合可以传输线性信号,也可以传输开关信号,在输出级应用时主要用来传递开关信号。如图9所示,单片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R2为光耦输出晶体管的负载电阻,它的选取应保证:在光耦导通时,其输出晶体管可靠饱和;而在光耦截止时,T1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长,限制了其使用频率。

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图9 光耦输出电路

3 结语

单片机接口技术在很多文献中均有详细的介绍,但在对大量电气控制产品的改造和设计中,经常会碰到用接口芯片所无法解决的问题(如驱动电流大、开关速度慢、抗干扰差等),因此必须寻求另一种电路解决方案。上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明,其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。

来源:STM32嵌入式开发

免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理(联系邮箱:cathy@eetrend.com)。

围观 149

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8. 寄存器写保护

寄存器写保护功能可防止重要寄存器因软件错误而被覆盖。使用保护寄存器(PRCR)设置要保护的寄存器。表9列出了PRCR位与要保护的寄存器之间的关联。

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图18. PRCR寄存器 

表9. PRCR保护位 

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注:以上寄存器并非存在于所有的RA2产品。具体请参照各MCU硬件手册中“寄存器写操作”的章节。

Renesas FSP提供两个API(R_BSP_RegisterProtectEnable 和 R_BSP_RegisterProtectDisable),分别用于使能和禁用寄存器写保护。

9. I/O 端口配置(1)

《硬件手册》中的“I/O 端口”部分介绍了基于外设选择和其他寄存器设置的确切引脚配置。下面列出了一些一般信息。

务必注意的是,复位后,在应用配置之前,每个引脚都将处于其默认状态。就RA2产品而言,所有I/O引脚在复位后均为输入引脚。其中某些引脚可能会短暂地处于无法预期的状态。无论使用哪种配置方法,都会出现这种情况。用户应考虑这可能对每种应用产生的影响,包括这可能对其他系统功能造成哪些影响。

配置I/O端口时,可以直接写入寄存器,也可以通过FSP引脚配置功能进行配置。

9.1 多功能引脚选择设计策略

RA2系列MCU上的大多数端口都具有多种外设功能。Renesas提供了诸如FSP中的引脚配置器之类的工具,以帮助选择各RA2产品的端口。当需要多个外设功能时,请使用以下设计策略来帮助选择端口功能。

• 首先,仅通过一个端口选项分配外设功能。例如,调试功能中的每个跟踪数据信号只有一个端口选项。需要此功能时,先分配这些端口。

• 接下来,为外设功能分配有限的端口选项。例如,支持CLKOUT外设的产品的每个CLKOUT信号通常只有两个选项。

• 最后,为外设功能分配多个端口选项。一个示例是串行通信接口(SCI),该接口通常具有许多可用的端口选项。

• 从RA2系列MCU硬件手册“引脚列表”章节中可以看到一些端口的函数名称中带有后缀“_A”。为RA2

产品配置端口函数时,可以忽略此种类型的后缀。另请参见本系列文章后续的16.3节。

9.2 设置端口并将其用作GPIO

有两种方法可以设置端口并将其用作GPIO:一种是使用端口控制寄存器(PCNTR1),另一种是使用PmnPFS寄存器。

方法1:端口控制寄存器(PCNTR1)

• 通过向端口控制寄存器1(PCNTR1)的端口方向位 (PDRn) 写入“1”,选择一个引脚作为输出。

• 端口方向位 (PDRn) 是可读写的。将该值设置为“1”将选择该引脚作为输出。I/O端口的默认状态为“0”(输入)。可以在RA2 MCU上读取端口方向寄存器。

• 相应端口控制寄存器 (PCNTR1) 中的端口输出数据位 (PODRn) 是可读写的。读取PODR时,也会读取输出数据锁存器的状态(不是引脚电平)。

• 端口控制寄存器 2 (PCNTR2) 中的端口输入位 (PIDRn) 是只读的。读取PCNTR2寄存器中的 PIDRn 位以读取引脚状态。

方法2:端口mn引脚功能 选择 (PmnPFS) 寄存器

• 端口模式寄存器 (PMR) 是可读写的,用于指定各个引脚是用作GPIO还是用作外设引脚。复位后,所有PMR寄存器均置0,这会将所有引脚都设置为GPIO。如果PMR寄存器置1,则该对应的引脚将用于实现外设功能。外设功能由该引脚的MPC设置定义。

• 将引脚设置为输出时,建议先将所需的端口输出值写入数据锁存器,然后将方向寄存器设置为输出。尽管在所有系统中此操作都不太重要,但这可以防止在设置端口时出现意外的输出毛刺。

通常,使用PCNTR1配置端口有助于提高访问速度,但可用的配置功能较少。使用PmnPFS寄存器将获得更多可用的配置功能,但访问速度较慢。

Renesas FSP提供了引脚配置工具,以在复位后配置GPIO引脚,如图19所示。配置GPIO后,可以在FSP中使用HAL层API对该GPIO进行控制

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图19. 使用FSP配置器将P107配置为输出和低电平

9.2.1 内部上拉

• 端口0到9上的大多数引脚都可以选择使能上拉电阻。上拉由每个端口mn引脚功能选择 (PmnPFS) 寄存器中的上拉 (PCR) 位控制。每个PmnPFS寄存器中的PCR位用于控制端口上的相应引脚。

• 首先,必须通过PmnPFS寄存器中的相关位将该引脚设置为输入。将PCR位置“1”以使能上拉,将其置“0”以禁用上拉。

• 复位后,会将所有PCR寄存器清零,因此将禁用所有上拉电阻。

• 每当将某个引脚指定为外部总线引脚、GPIO输出或外设功能输出引脚时,上拉就会自动关闭。

9.2.2 漏极开路输出

• 配置为输出的引脚通常用作CMOS输出。

• 端口0到上的大多数引脚都可以选择配置为NMOS漏极开路输出。

• 每个端口9mn引脚功能选择 (PmnPFS) 寄存器中的N沟道漏极开路控制 (NCODR) 位控制哪些引脚以漏极开路模式工作。将每个寄存器中的适用位置“1”会使输出形式变为漏极开路。将每个寄存器中的适用位置“0”会将端口设置为CMOS输出。

9.2.3 驱动能力

RA2A1产品可以使能驱动能力输出,其驱动能力可设为低或中驱动能力输出。其他RA2产品无此功能。

• 驱动能力的切换由每个端口mn引脚功能选择 (PmnPFS) 寄存器中的驱动能力控制寄存器 (DSCR) 位控制。

• 复位后,会将所有DSCR寄存器清零,因此会将所有引脚设置为低驱动能力输出。设置“00”以外的值会更改所选引脚的输出的驱动能力。

• 引脚的最大总输出因产品及封装而异。具体请参见MCU硬件手册“电气特性”章节的内容。

• 驱动能力的差异如下所示。实际输出电流会因产品和引脚类型而有所不同。详细信息请参见MCU硬件手册。

表10. 引脚驱动能力 

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输出驱动能力可能会对电路板设计的整体性能造成重大影响。为每个输出选择驱动能力时,应考虑以下几点:

• 建议首先将所有引脚设置为低驱动能力(默认)并评估性能。

• 根据电路板布局的不同,驱动能力设置为中或高的引脚可能会产生较高的EMI辐射。

• 较长的走线可能需要更高的驱动能力,才能使信号正确传播到接收器。

9.3 设置和使用端口外设功能

端口mn引脚功能选择寄存器 (PmnPFS) 用于配置每个端口的特性。PSEL 位用于选择为每个端口选择的外设功能。

• 由于大多数引脚具有多种功能,因此RA2 MCU提供了引脚功能控制寄存器 (PmnPFS),可用于更改分配给引脚的功能。

• 每个引脚都有自己的PmnPFS寄存器。

• 每个PmnPFS寄存器都允许将引脚用于外设功能(PSEL位)、用作IRQ输入引脚(ISEL位)或用作模拟输入引脚(ASE位)。如果ASEL位置“1”(将引脚用作模拟输入引脚),则应将该引脚的PMR位置1以用于GPIO,并将该引脚的PDR位置1以用于输入。

• 请参见《硬件手册》中“I/O端口”一章的“每种产品的外设选择设置”部分。

• 为了确保外设引脚上没有非预期的边沿输入或输出,确保在修改引脚的PmnPFS寄存器之前将目标引脚的端口模式控制 (PMR) 位清零。

• 复位后,所有PmnPFS寄存器均受到写保护。为了对这些寄存器执行写入操作,必须首先使用写保护寄存器 (PWPR) 来使能写入。

• 设置PmnPFS寄存器时应格外小心,切勿将一个功能分配给多个引脚。用户不应这样做,但MCU允许上述操作。如果发生这种情况,则引脚上的功能将处于未定义状态。

• 图20为使用Renesas FSP的引脚配置器使能QSPI引脚的示例。 

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图20. 使用Renesas FSP中的引脚配置器使能QSPI引脚

9.4 设置和使用IRQ引脚

• 某些端口引脚可以用作硬件中断线(IRQ)。有关哪些引脚可用于您的MCU的信息,请参见《硬件手册》中“I/O端口”一章的“每种产品的外设选择设置”部分。

• 要将端口引脚设置为用作IRQ引脚,必须将其PFS寄存器中的中断输入功能选择位(ISEL)置“1”。

• 引脚可同时用于IRQ和外设功能。要使能此功能,需设置引脚的PFS寄存器的ISEL位和PSE位。

• 具有相同编号的IRQ功能必须在一个引脚上使能。

• IRQ引脚可以在检测到以下情况时触发中断:

⎯ 低电平

⎯ 下降沿

⎯ 上升沿

⎯ 上升沿和下降沿

使用IRQ控制寄存器(IRQCRi)选择要使用的触发器。

• 数字滤波可用于IRQ引脚。滤波器基于以四个可选时钟速率(PCLKB、PCLKB/8、PCLKB/32、PCLKB/64)之一进行的重复信号采样。它们可以滤除短脉冲:在特定滤波速率下,任何少于3个样本的高脉冲或低脉冲。滤波器可用于滤除这些线路中的振铃和噪声,但是由于速率过快而无法滤除诸如机械开关弹跳之类的长时间事件。使能滤波会给硬件IRQ线增加一小段响应延迟时间(滤波时间)。

• 可以针对每个IRQ引脚单独使能数字滤波。此过程通过设置每个IRQ的IRQCRi寄存器中的IRQ引脚数字滤波器使能(FLTEN)位来实现。

• 可为每个IRQ引脚单独配置数字滤波的时钟速率。此过程通过设置每个IRQ的IRQCRi寄存器中的IRQ引脚数字滤波器设置(FCLKSEL[1:0])位来实现。

• 图21和图22给出了使用Renesas FSP使能和配置IRQ引脚的示例。

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图21. 使用Renesas FSP配置器将P004配置为IRQ03

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图22. 使用Renesas FSP配置器配置IRQ03

9.5 未使用引脚的处理

注:某些引脚需要特定的端接:有关具体建议,请参见《硬件手册》中的“未使用引脚的处理”部分。

悬空的未使用引脚会消耗额外的功率,并使系统更容易受到噪声问题的影响。使用下面详述的方法之一对未使用的引脚进行处理:

1、第一种选择是将引脚设置为输入(复位后的默认状态),然后使用电阻将其连接至Vcc或Vss。不同的连接方法对MCU来说没有区别;但是,从系统噪声的角度来看,有的方法可能更具优势。Vss可能是最典型的选择。避免将引脚直接连接到Vcc或Vss,因为对端口的方向寄存器(用于将端口设置为输出)执行意外的写入操作可能会导致输出短路。

2、第二种方法是将引脚设置为输出。无论是将引脚电平设置为高还是低都无关紧要;但是,将引脚设置为输出并将输出设置为低电平会在内部将引脚连接至接地层。这可能有助于解决整个系统的噪声问题。将未使用的引脚设置为输出有一个缺点,即必须通过软件控制来完成端口配置。在将方向寄存器设置为输出前MCU一直保持在复位状态时,该引脚将为悬空输入,可能会消耗额外的电流。如果可以接受在此期间消耗额外的电流,则该方法可消除第一种方法所需的外部电阻。

3、将引脚保留为输入并使用外部电阻将它们处理的一种变化方式是使用MCU多个端口上的内部上拉电阻。这与将引脚设置为输出有相同的限制(需要程序来设置端口),但是由于产品不会驱动引脚,因此确实可以减少因引脚意外接地、短接到相邻引脚或Vcc而产生的影响。

9.6 不存在的引脚

每个RA2 MCU系列都有多种封装尺寸,总引脚数也各有不同。对于小于该MCU系列最大封装尺寸(通常为100引脚、64引脚、24引脚)的任何封装,需将PDR寄存器中不存在的端口的对应位置“1”(输出),并将PODR寄存器中不存在的端口的对应位置“0”。通过查看《硬件手册》中“I/O端口”部分的“I/O端口规范”表,用户可以查看每个MCU封装上可用的端口。例如,端口0上的P007和P008仅在100引脚封装中可用。请注意,不需要对不存在的引脚进行额外处理。

9.7 电气特性

常规GPIO端口通常需要CMOS电平输入(高电平≥ 0.8 * Vcc,低电平≤ 0.2 * Vcc)。某些GPIO端口具有施密特触发输入,在输入要求方面略有不同。有关更多信息,请参见《硬件手册》中的“电气特性”部分。

来源:瑞萨MCU小百科

https://mp.weixin.qq.com/s/FMxRvDbDi1R43nu9Hn8Nsg

https://mp.weixin.qq.com/s/Xknl8CQ0lbxm642YSRcpyA

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围观 82

GPIO英文全称General-Purpose Input /Output Ports,中文意思是通用I/O端口。由于MCU的通信外设接口众多,不可能每一外设固定一组GPIO,在MCU中,可通过软件运行期间能够动态配置和控制的引脚的状态,所以每个 GPIO 口除了通用输入输出功能外,还可能有其它复用功能。

在MM32L0产品中,每个 GPIO 端口有两个 32 位配置寄存器(GPIOx_CRL, GPIOx_CRH),两个 32 位数据寄存器(GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR),一个 32 位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR),一个 16 位复位寄存器(GPIOx_BRR)、一个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)和两个复用功能选择寄存器(GPIOx_AFRH)和(GPIOx_AFRL)。

GPIO 端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。

• 输入浮空
• 输入上拉
• 输入下拉
• 模拟输入
• 开漏输出
• 推挽式输出
• 推挽式复用功能
• 开漏复用功能

每个 I/O 端口可以自由编程,然而必须按照 32 位字访问 I/O 端口寄存器(不允许半字或字节访问)。GPIOx_BSRR 和 GPIOx_BRR 寄存器允许对任何 GPIO 寄存器进行读/更改的独立访问;这样,在读更改访问之间产生 IRQ 不会发生危险。

初识MM32 GPIO
图1. I/O端口位的基本结构

1、输入浮空详解:
浮空(floating)就是逻辑器件的输入引脚既不接高电平,也不接低电平。一般实际运用时,引脚不建议悬空,易受干扰。

2、输入上拉\下拉详解:
上拉就是把电位拉高,比如拉到Vcc。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻拉在高电平!弱强只是上拉电阻的阻值不同,没有什么严格区分。在MM32L0xxx中该上拉电阻位40k欧姆。

3、模拟输入详解:
模拟输入是指模拟信号的输入。配置模拟输入时,所有的上拉、下拉电阻和施密特触发器,均处于禁止状态,因此 “输入数据寄存器”将不能反映端口上的电平状态,也就是说,模拟输入配置下,CPU不能在“输入数据寄存器”上读到有效的数据。

4、开漏输出详解:
输出端相当于三极管的集电极,对输入数据寄存器的访问可得到 I/O 状态。可以做不同电压信号转换;多个同时级联还可以实现线与逻辑)。

5、推挽式输出详解:
可以输出高,低电平,连接数字器件; 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源决定。

6、复用功能详解:
可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况(即并非作为通用IO口使用)。端口必须配置成复用功能输出模式(推挽或开漏)。

在MM32L0产品UM的8.1.11 章节外设的 GPIO 配置,用户可以查到需要使用相关功能时各GPIO的状态配置的表格。

初识MM32 GPIO初识MM32 GPIO

下面将根据库函数对MM32L0xx的GPIO配置,首先来看一下GPIO_Init函数的原型void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)。这个函数的实现是在HAL_gpio.h文件中,若要使用该函数在相应的应用程序的前面包含HAL_gpio.h头文件。

该函数的第一个参数为GPIO_ TypeDef,它是一个结构体类型,该类型在MM32L0xx.h中被定义。定义的原型为:

typedef struct
{
  __IO uint32_t CRL;
  __IO uint32_t CRH;
  __IO uint32_t IDR;
  __IO uint32_t ODR;
  __IO uint32_t BSRR;
  __IO uint32_t BRR;
  __IO uint32_t LCKR;
  __IO uint32_t RESERVED0;
  __IO uint32_t AFRL;
  __IO uint32_t AFRH;
} GPIO_TypeDef;

该函数的第二个参数为GPIO_ InitTypeDef,它也是一个结构体类型,该类型在HAL_gpio.h中被定义,第一个参数只找到配置的目标寄存器,第二个参数就是对相应端口如何配置的数据参数。这些参数存储在指向GPIO_InitTypeDef变量的首地址处。定义的原型为:

typedef struct
{
   uint16_t GPIO_Pin;
   GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;
   GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;
}GPIO_InitTypeDef;

GPIA是固件库中定义的一个宏,在编译的时候会宏展开,先列出与GPIOD端口地址映射有关的宏定义如下:

#define GPIOA             ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOA_BASE      (0x48000000)

如在配置MCU的PA15控制一个LED灯的亮和灭:

void GPIO_Init(void)
{
 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
 
 RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE); //使能GPIOA时钟
//GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_1);//此处只是控制闪灯,如使用到相关外设一定要配置GPIO复用功能。
 
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  =  GPIO_Pin_15; //配置GPIOA.15
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

GPIO_InitTypeDef的第一个变量为GPIO_Pin是一个16位的无符号数,该数只有16位,每一位代表一个引脚,若要配置某一个端口的某一个引脚只需要把相应的位设置为1就可以了。在MM32的固件库中有如下引脚号定义:

#define GPIO_Pin_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected */
#define GPIO_Pin_1                 ((uint16_t)0x0002)  /* Pin 1 selected */
#define GPIO_Pin_2                 ((uint16_t)0x0004)  /* Pin 2 selected */
#define GPIO_Pin_3                 ((uint16_t)0x0008)  /* Pin 3 selected */
#define GPIO_Pin_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected */
#define GPIO_Pin_5                 ((uint16_t)0x0020)  /* Pin 5 selected */
#define GPIO_Pin_6                 ((uint16_t)0x0040)  /* Pin 6 selected */
#define GPIO_Pin_7                 ((uint16_t)0x0080)  /* Pin 7 selected */
#define GPIO_Pin_8                 ((uint16_t)0x0100)  /* Pin 8 selected */
#define GPIO_Pin_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13                ((uint16_t)0x2000)  /* Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14                ((uint16_t)0x4000)  /* Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15                ((uint16_t)0x8000)  /* Pin 15 selected */
#define GPIO_Pin_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /* All pins selected */

使用这些定义好的宏就方便很多,要配置某几个引脚只需要把相应的引脚相或就可以了。若你要多某一个端口的所有位进行配置,那么只需要使用一个宏GPIO_Pin_All 。

GPIOSpeed_TypeDef是一个枚举类型,它用于定义GPIO速度的参数,它的格式如下:

typedef enum
{
    GPIO_Speed_10MHz = 1,
    GPIO_Speed_2MHz,
    GPIO_Speed_50MHz
}GPIOSpeed_TypeDef;

通过定义可以知道,GPIOSpeed_TypeDef有三种取值,那么GPIO的速度有三种。
GPIOMode_TypeDef也是一个枚举类型,它用于定义GPIO工作的模式,它的定义如下:

typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0,  //模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空输入
GPIO_Mode_IPD = 0x28,  //下拉输入
GPIO_Mode_IPU = 0x48,  //上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,//通用开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,//通用推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18  //复用推挽数出
}GPIOMode_TypeDef;

这两位数据用来存储到某一个引脚的模式控制位MODEx[1:0] ,而高四位用来标志某一些标志。

MM32的GPIO库函数:
1、void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef* GPIOx);
函数解释:将外设 GPIOx 寄存器重设为缺省值,该函数的作用是把GPIO相关的寄存器配置成上电复位后的默认状态,在第一次初始化前或者不再使用某一个接口后可以调用该函数。
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组,如GPIOA 、GPIOB等的宏定义。

2、void GPIO_AFIODeInit(void);
函数解释:将复用功能(重映射事件控制和 EXTI 设置)重设为缺省值。

3、void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
函数解释:GPIO的初始化函数,该函数的作用是对IO进行初始化。
函数参数说明:
(1)GPIOx:GPIO的分组,如GPIOA 、GPIOB等的宏定义。
(2)GPIO_InitStruct:GPIO的初始化相关结构体。该结构体里面的成员变量决定了我们具体的初始化参数。以下进行说明:
l GPIO_Pin:指定具体的IO脚,如GPIO_Pin_0 GPIO_Pin_1这样的宏定义,这些宏由厂家写好,我们直接使用即可。
l GPIO_Mode:指定GPIO的模式。

4、void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
函数解释:把 GPIO_InitStruct 中的每一个参数按缺省值填入,GPIO结构体的初始化。对GPIO_InitStruct结构体进行默认配置
函数参数说明:GPIO_InitStruct,直接传入该结构体的指针,在该函数内会对结构体进行初始化。

5、uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
函数解释:读取指定端口管脚输入。
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组(如GPIOA,GPIOB等)。GPIO_Pin:具体的gpio管脚(如GPIO_Pin_0 、GPIO_Pin_1这样的宏定义)

6、uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
函数解释:读取指定的GPIO端口输入。
函数参数说明:GPIOx:gpio的分组/gpio端口;GPIO_Pin:具体的gpio管脚
函数返回值说明:输入管脚的值Bit_SET(高电平) Bit_RESET(低电平)

7、uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
函数解释:读取指定端口管脚输出。
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组/ GPIO端口;GPIO_Pin:具体的gpio管脚
函数返回值说明:输出管脚的值Bit_SET(高电平) Bit_RESET(低电平)

8、uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
函数解释:读取输出IO分组/端口的值
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组/ GPIO端口
函数返回值说明:一个io端口的所有数据 (输出状态)

9、void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
函数解释:对IO管脚进行置位(输出高电平)。这个函数使用GPIOx_BSRR寄存器来实现原子读或者修改操作。在这种情况下,在读和修改访问时发生一个IRQ中断是没有危险的。
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组/ GPIO端口;GPIO_Pin:具体的gpio管脚或者是io管脚的组合

10、void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
函数解释:清除指定的数据端口位,对IO管脚进行复位(输出低电平)。这个函数使用GPIOx_BSRR寄存器来实现读或者修改操作。在这种情况下,在读和修改访问时发生一个IRQ中断是没有危险的。
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组/ GPIO端口;GPIO_Pin:具体的GPIO管脚或者是IO管脚的组合

11、void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);
函数解释:对某一位进行写入操作。
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组/ GPIO端口;GPIO_Pin:具体的GPIO管脚;BitVal:写入高电平或者低电平(Bit_RESET:写入低电平 Bit_SET:写入高电平

12、void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);
函数解释:对GPIO端口进行写入操作,适用于对统一端口的多个管脚的写入
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组/ GPIO端口; BitVal:写入高电平或者低电平(Bit_RESET:写入低电平 Bit_SET:写入高电平)

13、void GPIO_PinLockConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
函数解释:锁定GPIO的寄存器,锁定的寄存器是GPIOx_MODER,GPIOx_OTYPER, GPIOx_OSPEEDR,GPIOx_PUPDR, GPIOx_AFRL and GPIOx_AFRH。在下一次复位前,被锁定的管脚不能被修改。
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组(如GPIOA,GPIOB等)。GPIO_Pin:具体的gpio管脚(如GPIO_Pin_0 、GPIO_Pin_1这样的宏定义)。

14、void GPIO_PinAFConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_PinSource, uint8_t GPIO_AF);
函数解释:改变指定管脚的映射关系,即配置指定管脚的复用功能。
函数参数说明:GPIOx:GPIO的分组/ GPIO端口;GPIO_PinSource:具体要配置成复用功能的管脚(如GPIO_Pin_0 GPIO_Pin_1这样的宏定义);GPIO_AF:选择该管脚要使用的复用功能。

例:配置UART1的GPIO程序

void UART_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE); //使能GPIOA时钟
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_1);//GPIO复用功能设置
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_1);
   
    //UART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 初始化GPIOA.9
   
//UART1_RX   GPIOA.10
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 初始化GPIOA.10
   
}

转自: 灵动微电MMCU

围观 579

随着微电子技术和计算机技术的发展,原来以强电和电器为主、功能简单的电气设备发展成为强、弱电结合,具有数字化特点、功能完善的新型微电子设备。在很多场合,已经出现了越来越多的单片机产品代替传统的电气控制产品。属于存储程序控制的单片机,其控制功能通过软件指令来实现,其硬件配置也可变、易变。因此,一旦生产过程有所变动,就不必重新设计线路连线安装,有利于产品的更新换代和订单式生产。

传统电气设备采用的各种控制信号,必须转换到与单片机输入/输出口相匹配的数字信号。用户设备须输入到单片机的各种控制信号,如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量等,通过输入电路转换成单片机能够接收和处理的信号。输出电路则应将单片机送出的弱电控制信号转换、放大到现场需要的强输出信号,以驱动功率管、电磁阀和继电器、接触器、电动机等被控制设备的执行元件,能方便实际控制系统使用。针对电气控制产品的特点,本文讨论了几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路的设计方法,对合理地设计电气控制系统,提高电路的接口能力,增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。

1、 输入电路设计

图1 开关信号输入
图1 开关信号输入

一般输入信号最终会以开关形式输入到单片机中,以工程经验来看,开关输入的控制指令有效状态采用低电平比采用高电平效果要好得多,如图1如示。当按下开关S1时,发出的指令信号为低电平,而平时不按下开关S1时,输出到单片机上的电平则为高电平。该方式具有较强的耐噪声能力。

若考虑到由于TTL电平电压较低,在长线传输中容易受到外界干扰,可以将输入信号提高到+24 V,在单片机入口处将高电压信号转换成TTL信号。这种高电压传送方式不仅提高了耐噪声能力,而且使开关的触点接触良好,运行可靠,如图2所示。其中,D1为保护二极管,反向电压≥50 V。

图2 提高输入信号电平
图2 提高输入信号电平

图3 输入端保护电路
图3 输入端保护电路

为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚,可以在输入端增加防脉冲的二极管,形成电阻双向保护电路,如图3所示。二极管D1、D2、D3的正向导通压降UF≈0.7 V,反向击穿电压UBR≈30 V,无论输入端出现何种极性的破坏电压,保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即:VI~VCC出现正脉冲时,D1正向导通;VI~VCC出现负脉冲时,D2反向击穿;VI与地之间出现正脉冲时,D3反向击穿;VI与地之间出现负脉冲时,D3正向导通,二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5~2.5 kΩ,与输入电容C构成积分电路,对外界感应电压延迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于τ,则输入端承受的有效电压将远低于其幅度;若时间较长,则D1导通,电流在RS上形成一定的压降,从而减小输入电压值。

此外,一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4所示,R为输入限流电阻,使光耦中的发光二极管电流限制在10~20 mA。输入端靠光信号耦合,在电气上做到了完全隔离。同时,发光二极管的正向阻抗值较低,而外界干扰源的内阻一般较高,根据分压原理,干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小,不会产生地线干扰或其他串扰,增强了电路的抗干扰能力。

图4 输入端光耦隔离
图4 输入端光耦隔离

在满足功能的前提下,提高单片机输入端可靠性最简单的方案是: 在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲,或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。

2、 输出电路设计

单片机输出端口受驱动能力的限制,一般情况下均需专用的接口芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别,但一般情况下均满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。

2.1 直接耦合

在采用直接耦合的输出电路中,要避免出现图5所示的电路。

图5 错误的输出电路
图5 错误的输出电路

T1截止、T2导通期间,为了对T2提供足够的基极电流,R2的阻值必须很小。因为T2处于射极跟随器方式工作,因此为了减少T2损耗,必须将集射间电压降控制在较小范围内。这样集基间电压也很小,电阻R2阻值很小才能提供足够的基极电流。R2阻值过大,会大幅度增加T2压降,引起T2发热严重。而在T2截止期间,T1必须导通,高压+15 V全部降在电阻R2上,产生很大的电流,显然是不合理的。另外,T1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位,引起输出端不稳定。T2基极被T1拉到地电位,若其后接的是感性负载,由于绕组反电势的作用,T2的发射极可能存在高电平,容易引起T2管基射结反向击穿。

图6为一直接耦合输出电路,由T1和T2组成耦合电路来推动T3。T1导通时,在R3、R4的串联电路中产生电流,在R3上的分压大于T2晶体管的基射结压降,促使T2导通,T2提供了功率管T3的基极电流,使T3变为导通状态。当T1输入为低电平时,T1截止,R3上压降为零,T2截止,最终T3截止。R5的作用在于: 一方面作为T2集电极的一个负载,另一方面T2截止时,T3基极所储存的电荷可以通过电阻R3迅速释放,加快T3的截止速度,有利于减小损耗。

图6 直接耦合输出电路
图6 直接耦合输出电路

2.2 TTL或CMOS器件耦合

若单片机通过TTL或CMOS芯片输出,一般均采用集电极开路的器件,如图7(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至+15 V电源,提升了驱动电压。但要注意的是,这种电路的开关速度低,若用其直接驱动功率管,则当后续电路具有电感性负载时,由于功率管的相位关系,会影响波形上升时间,造成功率管动态损耗增大。

为了改善开关速度,可采用2种改进形式输出电路,如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)是能快速开通的改进电路,当TTL输出高电平时,输出点通过晶体管T1获得电压和电流,充电能力提高,从而加快开通速度,同时也降低了集电极开路TTL器件上的功耗。图7(c)为推挽式的改进电路,采用这种电路不但可提高开通时的速度,而且也可提高关断时的速度。输出晶体管T1是作为射极跟随器工作的,不会出现饱和,因而不影响输出开关频率。

图7 TTL或CMOS器件输出电路
图7 TTL或CMOS器件输出电路

2.3 脉冲变压器耦合

脉冲变压器是典型的电磁隔离元件,单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号,经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接,所以输出是电平浮动的信号,可以直接与功率管等强电元件耦合,如图8所示。

图8 脉冲变压器输出电路
图8 脉冲变压器输出电路

这种电路必须有一个脉冲源,脉冲源的频率是载波频率,应至少比单片机输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送入控制门G,单片机输出信号由另一端输入G门。当单片机输出高电平时,G门打开,输出脉冲进入变压器,变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲,通过二极管D1、D2检波后经滤波还原成开关信号,送入功率管。当单片机输出低电平时,G门关闭,脉冲源不能通过G门进入变压器,变压器无输出。

这里,变压器既传递信号,又传送能量,提高了脉冲源的频率,有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同推动功率的要求,所以应用起来比较灵活。更重要的是,变压器原副边线圈之间没有电的联系,副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动,不受其电源大小的影响。

当单片机输出较高频率的脉冲信号时,可以不采用脉冲源和G门,对变压器原副边电路作适当调整即可。

2.4 光电耦合

光电耦合可以传输线性信号,也可以传输开关信号,在输出级应用时主要用来传递开关信号。如图9所示,单片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R2为光耦输出晶体管的负载电阻,它的选取应保证: 在光耦导通时,其输出晶体管可靠饱和;而在光耦截止时,T1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长,限制了其使用频率。

图9 光耦输出电路
图9 光耦输出电路

结语

单片机接口技术在很多文献中均有详细的介绍,但在对大量电气控制产品的改造和设计中,经常会碰到用接口芯片所无法解决的问题(如驱动电流大、开关速度慢、抗干扰差等),因此必须寻求另一种电路解决方案。上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明,其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。

转自: 玩转单片机

围观 486

随着微电子技术和计算机技术的发展,原来以强电和电器为主、功能简单的电气设备发展成为强、弱电结合,具有数字化特点、功能完善的新型微电子设备。在很多场合,已经出现了越来越多的单片机产品代替传统的电气控制产品。属于存储程序控制的单片机,其控制功能通过软件指令来实现,其硬件配置也可变、易变。因此,一旦生产过程有所变动,就不必重新设计线路连线安装,有利于产品的更新换代和订单式生产。

传统电气设备采用的各种控制信号,必须转换到与单片机输入/输出口相匹配的数字信号。用户设备须输入到单片机的各种控制信号,如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量等,通过输入电路转换成单片机能够接收和处理的信号。输出电路则应将单片机送出的弱电控制信号转换、放大到现场需要的强输出信号,以驱动功率管、电磁阀和继电器、接触器、电动机等被控制设备的执行元件,能方便实际控制系统使用。针对电气控制产品的特点,本文讨论了几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路的设计方法,对合理地设计电气控制系统,提高电路的接口能力,增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。

1、 输入电路设计

图1 开关信号输入

一般输入信号最终会以开关形式输入到单片机中,以工程经验来看,开关输入的控制指令有效状态采用低电平比采用高电平效果要好得多,如图1如示。当按下开关S1时,发出的指令信号为低电平,而平时不按下开关S1时,输出到单片机上的电平则为高电平。该方式具有较强的耐噪声能力。

若考虑到由于TTL电平电压较低,在长线传输中容易受到外界干扰,可以将输入信号提高到+24 V,在单片机入口处将高电压信号转换成TTL信号。这种高电压传送方式不仅提高了耐噪声能力,而且使开关的触点接触良好,运行可靠,如图2所示。其中,D1为保护二极管,反向电压≥50 V。

图2 提高输入信号电平

图3 输入端保护电路

为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚,可以在输入端增加防脉冲的二极管,形成电阻双向保护电路,如图3所示。二极管D1、D2、D3的正向导通压降UF≈0.7 V,反向击穿电压UBR≈30 V,无论输入端出现何种极性的破坏电压,保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即:VI~VCC出现正脉冲时,D1正向导通;VI~VCC出现负脉冲时,D2反向击穿;VI与地之间出现正脉冲时,D3反向击穿;VI与地之间出现负脉冲时,D3正向导通,二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5~2.5 kΩ,与输入电容C构成积分电路,对外界感应电压延迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于τ,则输入端承受的有效电压将远低于其幅度;若时间较长,则D1导通,电流在RS上形成一定的压降,从而减小输入电压值。

此外,一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4所示,R为输入限流电阻,使光耦中的发光二极管电流限制在10~20 mA。输入端靠光信号耦合,在电气上做到了完全隔离。同时,发光二极管的正向阻抗值较低,而外界干扰源的内阻一般较高,根据分压原理,干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小,不会产生地线干扰或其他串扰,增强了电路的抗干扰能力。

图4 输入端光耦隔离

在满足功能的前提下,提高单片机输入端可靠性最简单的方案是: 在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲,或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。

2、 输出电路设计

单片机输出端口受驱动能力的限制,一般情况下均需专用的接口芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别,但一般情况下均满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。

2.1 直接耦合

在采用直接耦合的输出电路中,要避免出现图5所示的电路。

图5 错误的输出电路

T1截止、T2导通期间,为了对T2提供足够的基极电流,R2的阻值必须很小。因为T2处于射极跟随器方式工作,因此为了减少T2损耗,必须将集射间电压降控制在较小范围内。这样集基间电压也很小,电阻R2阻值很小才能提供足够的基极电流。R2阻值过大,会大幅度增加T2压降,引起T2发热严重。而在T2截止期间,T1必须导通,高压+15 V全部降在电阻R2上,产生很大的电流,显然是不合理的。另外,T1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位,引起输出端不稳定。T2基极被T1拉到地电位,若其后接的是感性负载,由于绕组反电势的作用,T2的发射极可能存在高电平,容易引起T2管基射结反向击穿。

图6为一直接耦合输出电路,由T1和T2组成耦合电路来推动T3。T1导通时,在R3、R4的串联电路中产生电流,在R3上的分压大于T2晶体管的基射结压降,促使T2导通,T2提供了功率管T3的基极电流,使T3变为导通状态。当T1输入为低电平时,T1截止,R3上压降为零,T2截止,最终T3截止。R5的作用在于: 一方面作为T2集电极的一个负载,另一方面T2截止时,T3基极所储存的电荷可以通过电阻R3迅速释放,加快T3的截止速度,有利于减小损耗。

图6 直接耦合输出电路

2.2 TTL或CMOS器件耦合

若单片机通过TTL或CMOS芯片输出,一般均采用集电极开路的器件,如图7(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至+15 V电源,提升了驱动电压。但要注意的是,这种电路的开关速度低,若用其直接驱动功率管,则当后续电路具有电感性负载时,由于功率管的相位关系,会影响波形上升时间,造成功率管动态损耗增大。

为了改善开关速度,可采用2种改进形式输出电路,如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)是能快速开通的改进电路,当TTL输出高电平时,输出点通过晶体管T1获得电压和电流,充电能力提高,从而加快开通速度,同时也降低了集电极开路TTL器件上的功耗。图7(c)为推挽式的改进电路,采用这种电路不但可提高开通时的速度,而且也可提高关断时的速度。输出晶体管T1是作为射极跟随器工作的,不会出现饱和,因而不影响输出开关频率。

图7 TTL或CMOS器件输出电路

2.3 脉冲变压器耦合

脉冲变压器是典型的电磁隔离元件,单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号,经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接,所以输出是电平浮动的信号,可以直接与功率管等强电元件耦合,如图8所示。

图8 脉冲变压器输出电路

这种电路必须有一个脉冲源,脉冲源的频率是载波频率,应至少比单片机输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送入控制门G,单片机输出信号由另一端输入G门。当单片机输出高电平时,G门打开,输出脉冲进入变压器,变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲,通过二极管D1、D2检波后经滤波还原成开关信号,送入功率管。当单片机输出低电平时,G门关闭,脉冲源不能通过G门进入变压器,变压器无输出。

这里,变压器既传递信号,又传送能量,提高了脉冲源的频率,有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同推动功率的要求,所以应用起来比较灵活。更重要的是,变压器原副边线圈之间没有电的联系,副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动,不受其电源大小的影响。

当单片机输出较高频率的脉冲信号时,可以不采用脉冲源和G门,对变压器原副边电路作适当调整即可。

2.4 光电耦合

光电耦合可以传输线性信号,也可以传输开关信号,在输出级应用时主要用来传递开关信号。如图9所示,单片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R2为光耦输出晶体管的负载电阻,它的选取应保证: 在光耦导通时,其输出晶体管可靠饱和;而在光耦截止时,T1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长,限制了其使用频率。

图9 光耦输出电路

结语

单片机接口技术在很多文献中均有详细的介绍,但在对大量电气控制产品的改造和设计中,经常会碰到用接口芯片所无法解决的问题(如驱动电流大、开关速度慢、抗干扰差等),因此必须寻求另一种电路解决方案。上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明,其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。

来源:互联网

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