Porty wejścia/wyjścia w układach mikroprocesorowych i w ...mysinski.wieik.pk.edu.pl/UPCiMCU/Porty...
Transcript of Porty wejścia/wyjścia w układach mikroprocesorowych i w ...mysinski.wieik.pk.edu.pl/UPCiMCU/Porty...
2014-11-26
1
Porty wejścia/wyjścia w układach mikroprocesorowych i w
mikrokontrolerach
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 1
Porty wejścia-wyjścia Input/Output ports
• Podstawowy układ peryferyjny – port wejścia-wyjścia do wysyłania i odczytywania sygnałów logicznych na zewnątrz systemu.
• W systemach zbudowanych na typowych mikroprocesorach, funkcję portów wejścia/wyjścia pełnią specjalizowane układy scalone dołączane do magistrali danych, magistrali adresowej i sterującej.
• Takim standardowym przykładem jest już stary układ typu 8255, firmy Intel. Podobny układ firmy Motorola, to 6520 PIA.
• W mikrokontrolerach porty I/O stanowią integralną i bardzo ważną cześć układu. Dzięki nim, można w bardzo prosty sposób podłączać dodatkowe układy i elementy do systemu.
• Pojedyncze końcówki wejścia/wyjścia są zorganizowane w 4, 8 16 lub 32 bitowe porty.
• Linie portów mogą pełnić funkcje alternatywne, mogą być wejściem lub wyjściem innego układu w mikrokontrolerze, np. wejście lub wyjście licznika/czasomierza, wejściem i wyjściem dla portu szeregowego, wejściem dla przetwornika A/C , być wyjściem magistrali adresowej, danych, sterującej.
• Sygnały cyfrowe są zgodne ze standardem układów typu CMOS/TTL .
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 2
2014-11-26
2
Programowalny 8-bitowy układ wejścia/wyjścia 8255, firmy Intel
Intel 8255 (lub i8255) Programmable Peripheral Interface (PPI)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 3
Wewnętrzny schemat blokowy Przykład zastosowania
Wygląd układu scalonego, obudowa DIP-40
Podstawowe parametry wejścia/wyjścia
• Port jako wejście: – obciążalność, pojemność, impedancja wejściowa, – poziomy przełączające stany logiczne, szerokość histerezy
wejścia, – max. częstotliwość wejściowa, – odporność na przepięcia.
• Port jako wyjście: – max. obciążalność wyjścia, max. prąd wypływający i wpływający, – poziomy napięcia wyjściowego dla stanu logiczne 1 i 0, – max. szybkość narastania sygnału wyjściowego, – odporność na przeciążenia i zwarcia do masy i zasilania.
• równoczesna możliwość odczytu/zapisu pojedynczych linii, • stan końcówki w trakcie włączenia zasilania układu i w
trakcie aktywnego sygnału zerowania.
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 4
2014-11-26
3
Przykład doprowadzenia sygnałów wejściowych do portu wejściowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
U1B
74LS14
34R3 560
D21N4148
D11N4148
+5V
wejscie/wejscie
a/wejscie
bR5 560
U1C
74LS14
56wejscie
D3
4.7V
ISO2
R42k
+5V
R6560 wejscie
U1D74LS14
98
+5V wejscieR1560
ISO1
R22kU1A
74LS14
12wejscie
b
/wejscie
a
Wejścia logiczne bez izolacji galwanicznej
Wejścia logiczne z izolacją galwaniczną
5
Przykład podłączenia przycisków i klawiatury do portu wejściowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
S2
S1
S6
S5
S4
S3
S8
S7
P1.0
P1.3
P1.2
P1.6
P1.5
P1.7
ab
P1.4
P1.1
P1.5P1.6
P1.4
S1
S9
S5
S2
S13
S3
S14
S10
S6
S4
S15
S11
S7
S16
S12
S8
P1.7
P1.0
P1.2
P1.1
P1.3
VCC
do w ejścia S36
R110k
Konfiguracja klawiatury matrycowej Konfiguracja klawiatury 8-stykowej
Pojedynczy styk
6
2014-11-26
4
Przykład podłączenia diod LED i wyświetlacza LED do portu wyjściowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
R2
4.7kR1
4.7k
P1.1
R2
330
Q1BC
Vcc
D1
LED
VCC
A
B
C
DE
GK
F
W1
3
8
764219
105
P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0
P1.7P1.6P1.5
8x560
U1 7447
BI/RBO4
A7
B1
C2
D6
A13
B12
C11
D10
E9
F15
G14
LT3
RBI5
A
B
C
DE
GK
F
W1
3
8
764219
105
VCC
VCC
P1.3P1.2P1.1P1.0
VCCP1.4
P1.7P1.6P1.5
A
B
C
DE
GK
F
W2
3
8
764219
105
U2 7447
BI/RBO4
A7
B1
C2
D6
A13
B12
C11
D10
E9
F15
G14
LT3
RBI5
VCC
LEDD1
R1
510
+5V
LEDD2
Led
Q1NPN
Vcc>+5V
LEDD3
R32
1kR2
510
Led
Led
Sterowanie stanem logicznym ‘0’
Sterowanie stanem logicznym ‘1’
Sterowanie stanem logicznym ‘1’ dla napięcia zasilania > +5V i większy
prąd wyjściowy
Pojedynczy wyświetlacz 7-segmentowych
Zespół dwóch wyświetlaczy 7-segmentowych
Sterowanie stanem logicznym ‘0’, większy
prąd wyjściowy
7
Przykład podłączenia przekaźników do portu wyjściowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
K1
przekaznik
Q1NPN
D2
1N4005 R1820
R2
3.3k
+12V
P1.0
D1
LED
+12V K2
przekaźnik
+12V
+12V
U1
ULN2803A
I11
I22
I33
I44
I55
I66
I77
O118
O217
O316
O415
O514
O613
O712
COM10
GND9
I88
O811
P1.3P1.2P1.1P1.0
P1.7P1.6P1.5P1.4
D3LED
R3 560
ŻARÓWKA
M1
MOTOR ACJ4
220V/50Hz
12
Sterowanie przekaźnikiem elektromagnetycznym wymaga dodatkowego obwodu wzmacniającego
Układ z tranzystorem NPN, włączenie stanem logicznym ‘1’
Rozwiązanie z specjalizowanym układem scalonym ,
włączenie stanem logicznym ‘1’
Sterowanie przekaźnikiem półprzewodnikowym (SSR) na +5V,
bezpośrednio z mikrokontrolera
włączenie stanem logicznym ‘0’
+5V
LEDD2
R2
51
Led
8
2014-11-26
5
Przykład podłączenia wyświetlacza LED do portu wyjściowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
P3.4
P1.1P1.0
P3.7P3.6P3.5
P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2
P1.7
8x180
Wspólna anoda
VCC
VCC
A B C D E G KF
COM
W23 8
7 6 4 2 1 910 5
U1
74LS145
A15
B14
C13
D12
01
12
23
34
45
56
67
79
810
911
A B C D E G KF
COM
W13 8
7 6 4 2 1 910 5
A B C D E G KF
COM
W63 8
7 6 4 2 1 910 5
A B C D E G KF
COM
W53 8
7 6 4 2 1 910 5
A B C D E G KF
COM
W43 8
7 6 4 2 1 910 5
A B C D E G KF
COM
W33 8
7 6 4 2 1 910 5
U2
ULN2803A
I11
I22
I33
I44
I55
I66
I77
O118
O217
O316
O415
O514
O613
O712
COM10
GND9
I88
O811
R5
3kQ1PNP
Q2PNP
Q3PNP
R7 R11
Q4PNP
R9
Q6PNP
Q5PNP
R13 R15
Zespół 6 wyświetlaczy 7-segmentowych, sterowanie multipleksowe
9
Końcówka portu jako wyjście logiczne
• Obciążenie może być typu rezystancyjnego - R, rezystancyjno-pojemnościowego – RC lub typu RLC np. linia długa.
• Obciążenie może być podłączone do wyjścia i masy (wtedy prąd wypływa z końcówki) lub do wyjścia i do +zasilania (wtedy prąd wpływa do końcówki).
• Przy wyborze sposobu podłączenia odbiornika należy sprawdzić jaki jest maksymalny prąd wejściowy i wyjściowy układu. Nie zawsze te dwa parametry mają taką samą wartość (w mA).
MCU
GND
Obciążenie wyjścia
Ro lub Zo
Prąd wypływający (source current)
MCU
GND
Obciążenie wyjścia
Ro lub Zo
Prąd wpływający (sink current)
GND
+Vcc
GND
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
+Vcc
10
2014-11-26
6
Końcówka portu jako wejście logiczne
• Sygnał wejściowy może pochodzić z innego elementu lub układu, które ma własne zasilanie lub nie. Np. z innego układu cyfrowego lub elementu elektromechanicznego (styk elektryczny).
• Sygnał wejściowy nie może uszkodzić obwodu wejściowego portu tzn. napięcie wejściowe musi być w zakresie napięcia zasilania wejścia ale wybrane końcówki portów mogą obsługiwać sygnały większe. Np. przy zasilaniu systemu +3.3V porty są dostosowane do sygnałów z systemu +5V (5V tolerant)
UC
Uwe
GND
MCU UC
Uwe
GND
MCU
GND
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
+Vcc +Vcc1 +Vcc2 +Vcc1 > +Vcc2 +Vcc1 < +Vcc2
11
Końcówka portu jako wejście logiczne
• Przy podłączaniu elementów stykowych (przyciski, styki elektryczne, klawiatura) należy wymusić stan logiczny na wejściu za pomocą rezystora podciągającego w górę (dla stanu 1) lub w dół (dla stanu 0).
Uwe
+Vcc
MCU
GND
klucz
Rezystor podciągający w górę (pull up resistor)
Rpu
Uwe
MCU
GND
klucz
Rezystor podciągający w dół (pull down resistor)
Rpd
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
+Vcc
12
2014-11-26
7
Podstawowe parametry wejścia/wyjścia – pod względem budowy stopnia wejściowego
• Pod względem budowy stopnia wejściowego można wyróżnić: – wejście analogowe, (analog input), – wejście logiczne pływające (floating input), – wejście logiczne z podciąganiem w górę, (pull-up input), – wejście logiczne z podciąganiem w dół (pull-down input),
• Pod względem budowy stopnia wyjściowego można wyróżnić: – wyjście analogowe, (analog output), – wyjście logiczne komplementarne (push-pull output), – wyjście logiczne typu otwarty dren (Open Drain) z
podciąganiem w górę, (OD pull-up output).
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 13
Rodzaje wyjść – otwarty dren
• Prąd przez tranzystor może płynąć tylko w jednym kierunku, • dla wyjścia typu otwarty dren tranzystor jest z kanałem N-MOS, • Wewnętrzny rezystor podciągający może mieć różne wartości, np. od 50k
do 100k, rozróżnia się tzw. słabe podciąganie (week pull-up) i silne
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
+Vcc
GND
Klucz N-MOS
Wewnętrzny rezystor podciągający w górę (pull up resistor)
Rpu Ro
Io
Układ wyjściowy typu otwarty dren z podciąganiem do Vcc
(Open drain output with pull-up resistor)
+Vcc
GND
Ro
Io
Układ wyjściowy typu otwarty dren z podciąganiem do Vcc , UWAGA - prąd wyjściowy ograniczony przez Rpu
Rpu
Wewnętrzny lub zewnętrzny rezystor podciągający w górę
Klucz N-MOS
14
2014-11-26
8
Rodzaje wyjść – push-pull
• Wyjście typu push-pull zapewnia szybsze przełączanie, • większy prąd wypływający z wyjścia ale należy to sprawdzić w dokumentacji
układu, • możliwość podłączenia odbiornika do +V i do masy , • dla wyjścia typu push-pull jeden tranzystor jest z kanałem N a drugi z kanałem P
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
GND
Ro
Io
+Vcc
GND
Ro
Io
Układ wyjściowy typu push-pull z odbiornikiem podłączonym do +Vcc
Układ wyjściowy typu push-pull z odbiornikiem podłączonym do masy
Klucz N-MOS
Klucz P-MOS
Klucz N-MOS
Klucz P-MOS
+Vcc
15
Parametry wejść/wyjść
Maksymalne dopuszczalne parametry pracy układu
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 16
2014-11-26
9
Przykładowa struktura wejścia/wyjścia w mikrokontrolerze
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 17
Przykładowa struktura wejścia w mikrokontrolerze
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 18
2014-11-26
10
Przykładowa struktura wejścia z podciąganiem w mikrokontrolerze
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 19
Przykładowa struktura wyjścia w mikrokontrolerze
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 20
2014-11-26
11
Przykładowa struktura funkcji alternatywnej wejścia/wyjścia w mikrokontrolerze
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 21
Przykładowa struktura wejścia analogowego w mikrokontrolerze
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 22
2014-11-26
12
Porty wejścia/wyjścia w 8051
• Porty wejścia/wyjścia w 8051 są dwukierunkowe, wielofunkcyjne, • dla pracy jako wejście należy wpisać „1” do końcówki portu, porty są typu otwarty dren z
wewnętrznym podciąganiem, • w tracie zerowania stan końcówek przyjmuje „1” – uwaga, • prąd wypływający dużo mniejszy niż prąd wpływający, obciążenie należy podłączać do +V
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 23
Porty wejścia/wyjścia w 8051
Parametry stałoprądowe końcówek mikrokontrolera 8051
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 24
2014-11-26
13
Mikrokontroler typu AVR ATMEGA, firmy Atmel
Struktura wewnętrzna portu
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 25 Obwód wejściowy portu
Tabelka do ustawiania trybu pracy portu
Parametry DC mikrokontrolera
Mikrokontroler typu PIC, firmy Microchip
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 26
2014-11-26
14
Mikrokontroler typu PIC, firmy Microchip
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 27
Mikrokontroler typu PIC, firmy Microchip, konfiguracja portów
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 28
2014-11-26
15
Mikrokontroler typu PIC, firmy Microchip
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 29
Porty wejścia/wyjścia w STM32F1xx – Cortex-M3
Podstawowa struktura portu wejścia/wyjścia
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 30
2014-11-26
16
Porty wejścia/wyjścia w STM32F1 – Cortex-M3 odporność układów zasilanych +3.3V na sygnały +5V
Podstawowa struktura portu wejścia/wyjścia dla sygnałów +5V
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK 31