双向IO口与准双向IO口的区别

双向IO口与准双向IO口的区别
双向IO口与准双向IO口的区别

单片机P0口是双相口,而P1P2P3是准双相口。举个例子:相信大家都理解准妈妈,就是怀孕的女人,当然这里也是这样的,就不是真正的双相口了。

为什么P0是双向口,这里的差别是什么呢?最主要原因是:P0没有上拉电阻,所以当P0最IO口的时候一定要加上上拉电阻,否则的话,你输出的1就是无效了,这样T2截止了,那么P0都就是呈现高阻状态了。下图分别是P0,P1P2P3的读写数据,红线表示输出,蓝线表示输入(读引脚)

还有一个就是读锁存器的,没画出来。在读引脚的时候,有一点注意:每当读引脚的时候要确保场效应管T2是截止的,否则的话1(高电平)外部数据读不出来,T2会把它拉低,所以通过MOV PX,FFH,把T2截止,就完美了。

在单片机学习、开发和应用中,IO口的配置对功能的实现起着重要的作用,下面介绍常见的四种配置,而现在很多单片机都兼有这四种配置,可供选择。

一.准双向口配置

如下图,当IO输出为高电平时,其驱动能力很弱,外部负载很容易将其拉至低电平。当IO 输出为低电平时,其驱动能力很强,可吸收相当大的电流。

准双向口有三个上拉晶体管,一个“极弱上拉”,当端锁存器为逻辑“1”时打开,当端口悬空时,“极弱上拉”将端口上拉至高电平。

第二个上拉晶体管为“弱上拉”,当端口锁存器为逻辑“1”且端口本身也为“1”时打开,此上拉提供的电流,使准双向口输出为“1”。如果此时端口被外部装置拉到逻辑“0”时,通过施密特触发器,控制“弱上拉”关闭,而“极弱上拉”维持开状态,为了把这个端口拉低,外部装置必须有足够的灌电流能力,使管脚上的电压,降到门槛电以下。

第三个上拉晶体管为“强上拉”,当端口锁存器由“0”跳变到“1”时,这个上拉用来加快端口由逻辑“0”到逻辑“1”的转换速度。

准双向口做为输入时,通个一个施密特触如器和一个非门,用以干扰和滤波。

准双向口用作输入时,可对地接按键,如下图1,当然也可以去掉R1直接接按键,当按键闭合时,端口被拉至低电平,当按键松开时,端口被内部“极弱上拉”晶体管拉至高电平。当端口作为输出时,不应对地外接LED如图形控制,这样端口的驱动能力很弱,LED只能发很微弱的光,如果要驱动LED,要采用图3的方法,这样准双向口在输出为低时,可吸收20mA的电流,故能驱动LED。图4的方法也可以,不过LED不发光时,端口要吸收收很大电流。

二.开漏输出配置

这种配置,关闭所有上拉晶体管,只驱动下拉晶体管,下拉与准双向口下拉配置相同,因此只能输出低电平(吸收电流),和高阻状态。不能输出高电平(输也电流)。如果要作为逻辑输出,必须接上拉电阻到VCC。这种配置也可以通过上图3和图4来驱动LED。

三.推挽输出配置

这种配置的下拉与准双向口和开漏配置相同,具有较强的拉电流能力,不同的是,具有持续的强上拉。因此可以用上图2的方法来驱动LED。

四.仅为输入配置(高阻配置)

这种配置不能输出电流,也不能有收电流,只能作为输入数据使用。

以上四种配置各有其特点,在使用中应根据其特点灵活运用。

准双向口的最大特点是既可以作为输入,也可以作为输出,不需要通过控制切换。

推挽输出的特点是,无论输也高电平还是低电平都有较大的驱动能力,在输也高电平时,也能直接点亮LED,这在准双向口中是不能办到的。这种配置不宜作为输入,因为这需要外部设备有很强的拉电流的能胃。

仅为输入配置的特点是端口只能作为输入使用,可以获得很高的输入阻抗,在有模拟比较器或ADC的端口中用得较多。

开漏输出配置与准又向口相似,但内部没有上拉电阻。有很好的电气兼容性,外部接上拉电阻到3V电源,就能和3V逻辑器件连接。外部接上拉电阻到5V电源,就要以和5V器件连接。

需要说明的是以上四种配置均可以作为输入,也就是都可以检测端的逻辑状态,但其特性不同,不是每种配置都可以直接接按键。

================下面通过51的IO口介绍各种状态的工作原理

MCS-51有4组8位I/O口:P0、P1、P2和P3口,P1、P2和P3为准双向口,P0口则为双向三态输入输出口,下面我们分别介绍这几个口线。

一、P0口和P2口

图1和图2为P0口和P2口其中一位的电路图。由图可见,电路中包含一个数据输出锁

存器(D触发器)和两个三态数据输入缓冲器,另外还有一个数据输出的驱动(T1和T2)和控制电路。这两组口线用来作为CPU与外部数据存储器、外部程序存储器和I/O扩展口,而不能象P1、P3直接用作输出口。它们一起可以作为外部地址总线,P0口身兼两职,既可作为地址总线,也可作为数据总线。

图1 单片机P0口内部一位结构图

图2 单片机P0口内部一位结构图

P2口作为外部数据存储器或程序存储器的地址总线的高8位输出口AB8-AB15,P0口由ALE选通作为地址总线的低8位输出口AB0-AB7。外部的程序存储器由PSEN信号选通,数据存储器则由WR和RD读写信号选通,因为2^16=64k,所以MCS-51最大可外接64kB 的程序存储器和数据存储器。

二、P1口

图3为P1口其中一位的电路图,P1口为8位准双向口,每一位均可单独定义为输入或输出口,当作为输入口时,1写入锁存器,Q(非)=0,T2截止,内上拉电阻将电位拉至"1",此时该口输出为1,当0写入锁存器,Q(非)=1,T2导通,输出则为0。

图3 单片机P2口内部一位结构图

作为输入口时,锁存器置1,Q(非)=0,T2截止,此时该位既可以把外部电路拉成低电平,也可由内部上拉电阻拉成高电平,正因为这个原因,所以P1口常称为准双向口。

需要说明的是,作为输入口使用时,有两种情况:

1.首先是读锁存器的内容,进行处理后再写到锁存器中,这种操作即读—修改—写操作,象JBC(逻辑判断)、CPL(取反)、INC(递增)、DEC(递减)、ANL(与逻辑)和ORL(逻辑或)指令均属于这类操作。

2.读P1口线状态时,打开三态门G2,将外部状态读入CPU。

三、P3口

P3口的电路如图4所示,P3口为准双向口,为适应引脚的第二功能的需要,增加了第二功能控制逻辑,在真正的应用电路中,第二功能显得更为重要。由于第二功能信号有输入输出两种情况,我们分别加以说明。

图4 单片机P0口内部一位结构图

P3口的输入输出及P3口锁存器、中断、定时/计数器、串行口和特殊功能寄存器有关,P3口的第一功能和P1口一样可作为输入输出端口,同样具有字节操作和位操作两种方式,在位操作模式下,每一位均可定义为输入或输出。

我们着重讨论P3口的第二功能,P3口的第二功能各管脚定义如下:

·P3.0 串行输入口(RXD)

·P3.1 串行输出口(TXD)

·P3.2 外中断0(INT0)

·P3.3 外中断1(INT1)

·P3.4 定时/计数器0的外部输入口(T0)

·P3.5 定时/计数器1的外部输入口(T1)

·P3.6 外部数据存储器写选通(WR)

·P3.7 外部数据存储器读选通(RD)

对于第二功能为输出引脚,当作I/O口使用时,第二功能信号线应保持高电平,与非门开通,以维持从锁存器到输出口数据输出通路畅通无阻。而当作第二功能口线使用时,该位的锁存器置高电平,使与非门对第二功能信号的输出是畅通的,从而实现第二功能信号的输出。对于第二功能为输入的信号引脚,在口线上的输入通路增设了一个缓冲器,输入的第二功能信号即从这个缓冲器的输出端取得。而作为I/O口线输入端时,取自三态缓冲器的输出端。这样,不管是作为输入口使用还是第二功能信号输入,输出电路中的锁存器输出和第二功能输出信号线均应置“1”。

四、IO口工作原理

1. P0作为地址数据总线时,T1和T2是一起工作的,构成推挽结构。高电平时,T1打开,T2截止;低电平时,T1截止,T2打开。这种情况下不用外接上拉电阻.而且,当T1打开,T2截止,输出高电平的时候,因为内部电源直接通过T1输出到P0口线上,因此驱动能力(电流)可以很大,这就是为什么教科书上说可以"驱动8个TTL负载"的原因。

2. P0作为一般端口时,T1就永远的截止,T2根据输出数据0导通和1截止,导通时拉地,当然是输出低电平;要输出高电平,T2就截止,P0口就没有输出了,(注意,这种情况就是所谓的高阻浮空状态),如果加上外部上拉电阻,输出就变成了高电平1。

3. 其他端口P1、P2和P3,在内部直接将P1口中的T1换成了上拉电阻,所以不用外接,但内部上拉电阻太大,电流太小,有时因为电流不够,也会再并一个上拉电阻。

4. 在某个时刻,P0口上输出的是作为总线的地址数据信号还是作为普通I/O口的电平信号,是依靠多路开关MUX来切换的。而MUX的切换,又是根据单片机指令来区分的。当指令为外部存储器/IO口读/写时,比如MOVX A,@DPTR ,MUX是切换到地址/数据总线上;而当普通MOV传送指令操作P0口时,MUX是切换到内部总线上的。

5. P0、P1、P2、P3口用于输入时,需要写1使IO下拉的MOS管截止,以免MOS管导通将输入拉底为0,当一直用于输入时不用置1(先使用该IO输出,该IO锁存器里可能是0,再用该IO输入则会使MOS管导通),将IO写1后,该IO锁存器不会变了,所以再一直用于输入不用置1。p0用于地址数据线时输入不用写1,因为MUX没和锁存器相连。PS:

Becaus e Ports 1, 2, and 3 have fixed internal pullups, they are sometimes called “quasi- bidirectional” ports.

因为端口1、2、3有固定的内部上拉,所以有时候他们被称为"准双向"口。

Port 0, on the other hand, is considered “true” bidirectional, because when configured as an input it floats.

端口0, 从另外一方面来说,就被认为是"真正的"双向,因为当它被设置为输入的时候是浮空(高阻态)的。

五、P0口上拉电阻选择

如果是驱动led,那么用1K左右的就行了。如果希望亮度大一些,电阻可减小,最小不要小于200欧姆,否则电流太大;如果希望亮度小一些,电阻可增大,增加到多少呢,主要看亮度情况,以亮度合适为准,一般来说超过3K以上时,亮度就很弱了,但是对于超高亮度的LED,有时候电阻为10K时觉得亮度还能够用。我通常就用1k的。

对于驱动光耦合器,如果是高电位有效,即耦合器输入端接端口和地之间,那么和LED

的情况是一样的;如果是低电位有效,即耦合器输入端接端口和VCC之间,那么除了要串接一个1——4.7k之间的电阻以外,同时上拉电阻的阻值就可以用的特别大,用100k~500K 之间的都行,当然用10K的也可以,但是考虑到省电问题,没有必要用那么小的。

对于驱动晶体管,又分为PNP和NPN管两种情况:对于NPN,毫无疑问NPN管是高电平有效的,因此上拉电阻的阻值用2K~20K之间的,具体的大小还要看晶体管的集电极接的是什么负载,对于LED类负载,由于发管电流很小,因此上拉电阻的阻值可以用20k的,但是对于管子的集电极为继电器负载时,由于集电极电流大,因此上拉电阻的阻值最好不要大于4.7K,有时候甚至用2K的。对于PNP管,毫无疑问PNP管是低电平有效的,因此上拉电阻的阻值用100K以上的就行了,且管子的基极必须串接一个1~10K的电阻,阻值的大小要看管子集电极的负载是什么,对于LED类负载,由于发光电流很小,因此基极串接的电阻的阻值可以用20k的,但是对于管子的集电极为继电器负载时,由于集电极电流大,因此基极电阻的阻值最好不要大于4.7K。

对于驱动TTL集成电路,上拉电阻的阻值要用1~10K之间的,有时候电阻太大的话是拉不起来的,因此用的阻值较小。但是对于CMOS集成电路上拉电阻的阻值就可以用的很大,一般不小于20K,我通常用100K的,实际上对于CMOS电路,上拉电阻的阻值用1M的也是可以的,但是要注意上拉电阻的阻值太大的时候,容易产生干扰,尤其是线路板的线条很长的时候,这种干扰更严重,这种情况下上拉电阻不宜过大,一般要小于100K,有时候甚至小于10K。

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