如何将PIC16F15244系列用作I/O扩展器以提高设计灵活性

面对不断发展和多样化的应用程序需求，数据中心面临着提高运营效率并最大化其在硬件基础设施中的 IT 投资的艰巨任务。仅去年一年，全球数据中心在服务器和存储基础设施上的支出就超过140亿美元，但仍然没有以最高效率运行。

需要新的架构来更好地利用和优化跨越计算、内存和存储的硬件资产。在将物理计算、内存和存储资源视为可组合构建块的情况下，实现资源敏捷性是提高效率和消除闲置和未充分利用资产的关键。

微控制器 （MCU） 最基本的元素之一是 I/O – 引脚数量、灌电流和拉电流强度以及可用的功能。在某些情况下，系统的I/O需求与微控制器的内存大小之间可能会出现不匹配。通常，可用的I / O越多，包含的内存就越多，这使得微控制器更加昂贵。

I/O 扩展器通过串行通信（通常为 I 2C 或 SPI）为主微控制器提供额外的 I/O 组。I/O扩展器的常见用例包括简化PCB布线、改善功耗和物理缩小主微控制器。

参见图1。I/O 扩展器的使用示例

I/O扩展器ASIC是一种常见的商品，但是每个ASIC的功能和用例略有不同，这可能会在设计过程中引起头痛。然而，I/O扩展器是一种相对简单的数字设备，可以使用微控制器进行仿真，例如新的PIC16F15244系列。与相关的基于 ASIC 的解决方案相比，这可以产生更大的设计灵活性、功能，甚至更低的物料清单 （BOM） 成本。然而，由于更专业的硬件，基于ASIC的解决方案在空间和功率效率方面占上风。

为了演示此概念的灵活性，我们创建了 2 个单独的代码示例。第一个代码示例是一个非常简单的 I/O 扩展器。与该项目相关的固件可以轻松定制，以进一步简化通信。第二个代码示例是一个非常灵活的“高级”I/O 扩展器，它旨在允许通过 I2C 控制几乎所有 I/O 设置，而不是依赖于预设功能。

两个 I/O 扩展器示例具有共同的功能和大部分代码库。与许多I2 C器件一样，寻址线分配给一些未使用的I/O，以设置I2C地址的一些位，这提供了设计灵活性，无需额外编程。与ASIC不同，这些分配可以在软件中更改，重新路由或重新排序。此外，该器件还提供一条外部中断线 （INT），以发出 I/O 电平变化的信号。对于公共线路，INT 可以是漏极开路，也可以是推挽式（如果该线路是专用的）。

简单的 I/O 扩展器

在深入了解高级 I/O 扩展器之前，让我们看一下简单的扩展器。在此示例中，每个 I/O 线都有两种连续状态（假设代码未修改）：弱上拉输入或输出 LOW。弱上拉允许I/O扩展器在用作输入时定义逻辑电平，并且它还关闭通常会将电流吸收到扩展器中的连接电路。该器件内部弱上拉的强度约为 10 或 100 μA。

低输出是一个更强大的驱动器，每个I/O能够吸收高达25mA的电流，整个器件的电流为300mA（-40C至+85C）。有关这些限制的更多信息，请参阅器件数据表的电气特性部分。从输出状态转换到输入状态时可能遇到的一个问题是I/O线路上寄生电容的充电时间。该电容会导致从0到1的转换延迟，这可能会触发变化时中断电路。为了将这些影响降至最低，可以将简单的I/O扩展器配置为暂时打开高端I/O驱动器，以便在切换到弱上拉之前快速对该电容进行充电。

参见图2。I/O 线的转换

高端 I/O 驱动程序的运行时间可在软件中配置，如果需要，可以禁用。下图显示了使用这种方法增强的上升时间 - 注意图像中时间尺度从20μs/div到40ns/div的变化。注意：我们不建议在任何配置下直接驱动电容器。

参见图 3。无高端 I/O – 1nF 负载

参见图 4。高端 I/O 开启 – 1nF 负载

简单的 I/O 扩展器 – 通信

I2C与这个例子的通信也非常简单。完整的I 2 C通信只需要2个字节的读写。在I2C写入中，数据的第一个字节是一个位图，它将每个I/O行（由单个位表示）设置为输入或输出。发送的所有其他数据字节都将被丢弃，开发人员可以省略。

参见图 5。简单的 I/O 扩展器，I2C 写入

在I2C读取中，从器件读取的字节是一个位图，表示每个I/O行的数字值，可通过PORT寄存器在内部访问。

参见图 6。简单 I/O 扩展器，I2C 读取

高级 I/O 扩展器

开发高级 I/O 扩展器的目标是提供比上面显示的简单变体功能更全面的程序。由于串行通信极其简单，简单的I/O扩展器具有许多局限性，并且无法利用PIC16F15244系列中可用的以I/O为中心的功能，例如输入电平控制、漏极开路输出、变化时可屏蔽中断和弱上拉使能。

相比之下，这个更复杂的示例可以配置板载I/O的几乎所有功能。为了实现此功能集，程序使用查找表来确定要访问的寄存器或要执行的功能。图7显示了一个示例应用，其中微控制器充当键盘控制器，在按下按键时通知主微控制器。（此示例将在以后的帖子中展开。

参见图 7。高级 I/O 扩展器作为带锁定指示器的键盘控制器

高级 I/O 扩展器 – 程序结构

图8是器件中“寄存器”的查找表。表中的某些寄存器实际存在于每个PIC16F15244系列器件上，例如TRIS和LAT，而其他寄存器（如ERROR）是“虚拟的”。虚拟寄存器特定于此程序，仅存在于RAM中。

参见图 8。I/O 高级扩展器的寄存器映射

这种查找表结构的一个好处是可以灵活地重新排列寄存器，这可用于优化串行通信或减少软件故障干扰关键设置的机会。

查找表分为两个单独的函数，用于读取和写入。这将创建一个简单可靠的权限方案，但代价是代码大小。例如，要创建只读函数，只需从写入查找表中省略地址即可。

高级 I/O 扩展器 – 通信

与此示例的通信比简单的 I/O 扩展器更复杂。在执行读取或写入之前，控制器必须指示要开始读取或写入的地址。

I2C 写入使用第一个数据字节来设置要开始的地址。然后，下一个字节用于加载该地址的数据。然后，地址将递增以发送数据的下一个字节。只要地址仍然可写且有效，此过程就可以重复，如下所示。如果写入了无效或只读地址，则地址不会递增，并且设备不会确认 （NACK） 以指示发生了错误。

参见图 9。高级 I/O 扩展器，I2C 写入流程图

参见图 10。高级 I/O 扩展器，I2C 写入

对于 I2C 读取，必须首先设置要读取的地址。通常，这是通过写入设备的单个数据字节完成的，尽管某些操作可能会为方便起见自动设置地址。I2C 总线停止，然后在读取模式下再次启动。

读取的第一个数据字节发生在地址集。读取此字节后，地址将递增，因此下一次读取发生在地址 + 1、地址 + 1 处，依此类推。如果遇到无效区域或只写区域，则程序将停止递增地址并返回2x0，直到停止读取。图00显示了两个寄存器的示例读取。

参见图 11。高级 I/O 扩展器，I2C 读取流程图

请参见图 12。高级 I/O 扩展器，I2C 读取

高级 I/O 扩展器 – 功能

该程序存储 8 个 I/O 相关设置，所有这些设置都更详细地记录在器件数据表中。唯一未保存的 I/O 设置是模拟选择 （ANSEL） 和端口。假设 I/O 扩展器始终是数字的，因此 ANSEL 是一个常量值。PORT 值是 I/O 组的逻辑电平，取决于电路条件。

当引用这些寄存器时，“x”（例如：TRISx）是指可以分配的可选I/O组。默认情况下，此示例使用银行 C。

• 三态方向控制 ［TRISx］ – 控制线路是输出 （0） 还是输入 （1）。

·锁存器 ［LATx］ – 设置 I/O 驱动程序的输出值。

·更改时中断正边沿 ［IOCxP］ – 启用所选引脚上的上升沿是否生成中断。

·更改时中断负边沿 ［IOCxN］ – 启用所选引脚上的下降沿是否生成中断。

·弱上拉 ［WPUx］ – 为每个选定的 I/O 启用弱上拉。

• 输入电平控制 ［INLVLx］ – 为每个引脚选择 TTL 或施密特触发器 CMOS 输入阈值。

• 漏极开路控制 ［ODCONx］ – 为所选引脚启用漏极开路输出功能。

• 压摆率控制 ［SLRCONx］ – 启用压摆率限制，以提高所选引脚的 EMI 性能。

高级 I/O 扩展器 – 内存操作

作为附加功能，此代码示例支持还原默认设置、保存、加载或保存并将其设置加载到内部非易失性存储器的功能。PIC16F15244系列没有EEPROM，但是通过启用存储区域闪存（SAF），可以将一小部分程序闪存（PFM）标记为不可执行。

参见图 13。内存存储

图 13 显示了内部存储配置的方式。仅使用单个内存行（32 个 14 位字）来存储设置。此配置简化了内存管理，并将剩余的不可执行内存留给其他用途。

可配置的 I/O 设置与简单的（软件创建的）CRC-8 校验和一起保存到 PFM 中，以验证配置的完整性。为了将CRC打包到可用空间中，它被分成2位的块，并附加到每个配置的前4个设置。

参见图 14。内存操作字节

如果加载的配置未通过校验和验证，则不会将其加载到相应的寄存器中。对于内存负载，I/O引脚行为可以在内存操作字节中指定，如图14所示。如果负载失败，引脚将保持该状态，直到重新配置。

I/O 设置可以保存并加载到运行时四种配置中的任何一种。作为编译选项，开发人员或设计人员可以将设备设置为在启动时尝试加载配置 0，而不是默认值，这可以用作不需要完全重新编程操作的简单固件更新。如果配置 0 未通过 CRC 验证，程序将使用默认 I/O 设置启动。

设备上的默认 I/O 设置定义为常量，开发人员可以根据应用程序的需要设置这些常量。程序不会修改这些默认值，并被视为已知的良好值。运行内存操作“加载默认值”将使用这些默认值加载寄存器。

作为故障保护，所有内存操作（不包括启动时的负载）都需要特定的字节序列来“解锁”操作。这减少了软件故障擦除或覆盖设置的可能性。

结论

如本文所示，在需要I/O配置灵活性或在单个系统中利用大量I/O扩展器的应用中，简单的8位微控制器可以合理地替代通用I/O扩展器ASIC。这两个示例所需的固件可通过以下链接在 Github 上找到。Github中还提供了使用Arduino Uno的高级I / O Expander的演示库和代码。

审核编辑：郭婷