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 .


2014-11-26

2

Programowalny 8-bitowy układ wejścia/wyjścia 8255, firmy Intel

Intel 8255 (lub i8255) Programmable Peripheral Interface (PPI)


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.


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


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


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


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


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


+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


+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


+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).


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


+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


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


2014-11-26

9

Przykładowa struktura wejścia/wyjścia w mikrokontrolerze


Przykładowa struktura wejścia w mikrokontrolerze


2014-11-26

10

Przykładowa struktura wejścia z podciąganiem w mikrokontrolerze


Przykładowa struktura wyjścia w mikrokontrolerze


2014-11-26

11

Przykładowa struktura funkcji alternatywnej wejścia/wyjścia w mikrokontrolerze


Przykładowa struktura wejścia analogowego w mikrokontrolerze


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


Porty wejścia/wyjścia w 8051

Parametry stałoprądowe końcówek mikrokontrolera 8051


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


2014-11-26

14



Mikrokontroler typu PIC, firmy Microchip, konfiguracja portów


2014-11-26

15



Porty wejścia/wyjścia w STM32F1xx – Cortex-M3

Podstawowa struktura portu wejścia/wyjścia


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


Porty wejścia/wyjścia w układach mikroprocesorowych i w ...mysinski.wieik.pk.edu.pl/UPCiMCU/Porty...

Documents

Transcript of Porty wejścia/wyjścia w układach mikroprocesorowych i w ...mysinski.wieik.pk.edu.pl/UPCiMCU/Porty...