嵌入式控制器的輸入端口設計分析

引言

　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序4部分組成，用于實現對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

　　不管是在科研設備中還是在家用微波爐中，都可以看到嵌入式控制技術的影子，嵌入式控制技術已經成功的應用在各種領域中，并且越來越廣泛的進入到人們的生活中。

　　在控制電路的設計中，數據的輸入/輸出端口是控制器完成數據輸出和接收功能的關鍵部分，因此這一部分電路設計的好壞關系到控制器能否正常工作。

1 數字輸入端口邏輯設計分析
　
　　以控制器為中心，按照數據的流向分，控制器的端口分為數字輸入端和數字輸出端兩種，其中最簡單的一種I/O形式是數字輸入。下面從最簡單的數字輸入端設計來討論在輸入端口設計中遇到的實際問題和解決方法。由于控制器的數據輸入輸出引腳數量少，并且在使用時要分時復用，因此一般控制器和外部設備之間使用緩沖器或鎖存器連接。如圖1所示，緩沖器74HC244放置在處理器和外部器件之間，當處理器要讀取連接在外部接口上的設備信號時，處理器通過READ引腳使74HC244輸出引腳有效。這樣，外部設備數據就能夠通過74HC244的A0~A3和B0~B3引腳傳輸到74HC244的緩沖器中，然后被送到數據總線上，微控制器就能夠讀入設備的數據了。

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1

　　圖1所示的接口方式適合于輸入端少的情況，而對于現在面向便攜式設備的SoC設計，不僅要求性能高、體積小，更要求功耗低。一般而言，SoC的靜態(tài)功耗很小，而對負載電容充放電的動態(tài)功耗很大。如果總線上掛著很多功能設備，那么會導致總線的電容負載很大。如果總線與片外設備聯(lián)系，那么控制器還要驅動很長的片外連線以及片外設備。如果系統(tǒng)設計有許多數字輸入端，那么采用74HC244這種輸入方案就會有些問題。這是由于74HC244三態(tài)輸出端的最小電容值為20 pF，比SoC內部各節(jié)點的電容負載0.05 pF高出三個量級，過多的74HC244連接會使處理器數據總線上的電容負載值比較大，使得數據總線無法接收數據。

　　為了減小電容對數據輸入的影響，可以對圖1所示的方案改進成如圖2所示的方案，采用數據選擇器來替代74HC244，比如用74HC257。74HC257輸出端的最大電容值為15 pF，比74HC244的輸出端電容稍小一些。從圖2中可以看到，采用74HC257可以使控制器的一條數據總線連接兩條輸入端，這就相當于一條數據總線的輸入電容值只有7.5 pF。當然，也可以采用8選1的數字邏輯電路，比如74LS138或74HC151，但是它們沒有三態(tài)功能，因此要與74HC244結合使用，來提供數字輸入功能。這樣能使處理器每條數據總線的輸入電容降為只使用74HC244時的1/8。

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2

　　如果系統(tǒng)設計中不需要對多于數據總線數量的數字輸入端進行同時取樣，以上的74HC244和74HC257方案就完全可以適用。如果在系統(tǒng)設計中，要求必須同時取樣大量的數字輸入端，就必須在電路設計中使用鎖存器來鎖存數據。在電路設計中，經常使用的鎖存器是74HC374和74HC574，這兩種鎖存器的功能相當。由于74HC574的輸入引腳和輸出引腳分列在集成塊的兩邊，這樣的排列使制作印刷電路板時的布線比較簡單；另一方面，74HC574的輸出電容值為15 pF，這個值與74HC244的輸出電容值幾乎一樣，因此在設計中一般選用74HC574，電路連接如圖3所示，使用鎖存器可以同時取樣大量的數據輸入端。

　　數據選擇器可以降低每條總線的負載電容值，而不能同時取樣數據輸入端。使用數據鎖存器，會增大數據總線的電容負載，這樣就必須在取樣數據線的數量和采用數據選擇器的數量之間找到一個恰當的點。

　　圖4給出了一個較好的解決方案。在電路中，移位寄存器74HC597被級聯(lián)在一起，并且與控制器的總線相連接， 這樣可以給處理器提供大量的數字輸入引腳，同時每條總線上的電容負載值又可以達到最小。

　　74HC597是移位寄存器，它有8個觸發(fā)器與輸入引腳相連，這些觸發(fā)器是邊沿觸發(fā)的輸入鎖存器；同時，74HC597有另外的8個邊沿觸發(fā)的鎖存器串聯(lián)在一起，構成移位寄存器。在圖4中，當膠粘邏輯一個上升沿信號給RCLK時，數據輸入引腳的信號被同時取樣，接下來處理器通過膠粘邏輯傳送一個信號給SRLOAD，使取樣得到的數據從輸入鎖存器移入移位寄存器。在移位寄存器內，處理器通過SRCLK使數據每一時鐘周期移動一位，數據在READ端允許讀出時，由D0引腳送到數據總線上。

　　還可以對這個電路進行簡單變形，將74HC597的QH信號引腳通過一個多路緩沖器連接到每一條數據總線上,比如采用74HC244，這樣改進后，減少了處理串行數據的時間，并且可以一次讀出。

2 數據輸入端口保護設計分析　

　　前面已經討論了多種解決微處理器數據總線和外部設備接口的方法，下面將從實踐的角度討論避免系統(tǒng)外部干擾的方法。

　　在電路設計中，使CMOS器件的輸入端懸空是一種不良的設計習慣，因為CMOS器件是電壓控制，而未被連接的輸入端有靠近CMOS門檻電壓輸入的趨勢，使得芯片內部的三極管作不必要的開關動作，這既增加了噪聲干擾，又耗費了系統(tǒng)的功率。一般，使用上拉電阻或下拉電阻，把未被連接的輸入引腳與電源或接地點連接，使它們有一個確定的電壓值。CMOS輸入引腳的最大輸入電流非常小，只有1 μA左右，因此選用1 MΩ作為上拉電阻或下拉電阻。

　　在許多嵌入式系統(tǒng)中，輸入引腳的有效電壓一般是5 V以上或為負值（對地），在這種情況下，使用幾個電阻就可以防止輸入引腳過壓。如圖5所示，CMOS集成塊內部的2個二極管可以把電壓鉗位在CMOS器件輸入電壓值，這2個二極管是高速CMOS器件（74HC系列）靜電保護措施的一部分。

　　如圖6所示，在輸入端連接2個肖特基二極管，這樣可以更安全的保護輸入端口，但是成本會高一些。前端電壓降到集成塊內部2個二極管導通電壓的1/3，內部的2個二極管不會導通，電流全部通過前端正向偏壓的肖特基二極管。這種電壓保護電路在有些應用設計中是必須的。在一般設計中，沒有輸入引腳需要這樣的額外保護，因為這樣的外部電壓保護需要使用非常講究的印刷電路板，并且往電路板上安裝這些元件也需要一些制造成本，對于只采用無源元件的設計來說，這個安裝成本是不能忽略的。

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3

　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4

　　　　　　

　　　　　　　　　　圖5　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖6

　　圖7給出了另外一種保護方法，它有兩種作用：一是電容和電阻構成一個低通濾波器，用來減小輸入信號的尖脈沖，而低頻信號能夠通過；二是低通濾波器還有靜電保護的功能。

　　下面討論這種設計，如果是理想電容器，1個0.1 μF的電容串聯(lián)一個22 kΩ電阻就能夠提供靜電保護。但是實際器件是不會工作在理想狀態(tài)下的，在電路中，有等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感存在，如圖8所示。

　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8

　　電容生產商通常會給出圖表，用來描述他們生產的電容器的典型ESR（等效串聯(lián)電阻）和ESL（等效串聯(lián)電感），方便設計者建立適當的電路模型，分析電路的工作原理。但是建立這樣的模型還是很困難，因為電路模型中有些器件的參數是不好確定的。解決這一困難的方法只有通過實驗去驗證，這要增加試驗設備的成本。

　　電路中的防靜電保護裝置還有瞬態(tài)電壓抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor），它是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_數kW的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點，已廣泛應用于計算機、數碼相機等精密電子設備的保護電路中。如圖9所示，是一個在實踐中被很好保護的輸入引腳，其中L1是電感線圈，用來減少射頻干擾。

　　圖9所示電路對于大多數設計來說顯得過分復雜，但如果不使用光電隔離器件，對于精密的設計或者條件要求嚴格的設計來說，圖9所示電路是最好的。在這樣的設計中，元件價格和電路板元件位置的排列也是要考慮的要素。

　　由于在制造金屬膜電阻時，金屬線中插入了一些絕緣層來改變金屬線的幾何結構以達到一個準確的電阻值，而這使得靜電容易從絕緣面滲入金屬層。使用這種類型電阻構成的電路有兩種后果：第一，當有靜電電壓時，實際有效電阻值會比其標稱值?。坏诙?，容易形成電離通道，改變電阻的實際值。表面貼片電阻有另外一個問題，那就是當有靜電電壓時，它們與金屬層的焊接點會形成發(fā)熱點，這是由于金屬表面不均勻的電流密度引起的。這樣會造成貼片電阻被靜電電流燒毀，在電路中選用電阻時，普通的炭膜電阻是最好的選擇。

　　圖9光電隔離器件也可以用于數字輸入引腳靜電保護和防干擾，它們可以用來隔離幾kV的電壓，而輸入設備必須提供比CMOS門電路需要的電流大1000倍的輸入電流給光電隔離器件。光電隔離器件轉換速度比較慢，并且在設計中還要考慮如何保護光電隔離器件中的LED不受靜電的破壞，設計中，要根據設計的需要進行合適的選擇。

結語

　　輸入接口設計是嵌入式控制器系統(tǒng)的關鍵部分，因為嵌入式控制器外部數據的接收，外部設備狀態(tài)的反饋都要通過接口才能交給處理器。設計輸入端口時主要考慮兩個方面的實際情況：一是負載能力，即輸入信號能否被控制器接收，二是靜電的防護，現在很多處理器采用CMOS工藝封裝，這能夠滿足低功耗的要求，同時對靜電防護要求更高。
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