第10章 数字信号输入输出接口电路
《数字输入输出端口》课件
未来数字输入输出端口的应用前景
随着物联网和人工智能的 发展，数字输入输出端口 将在更广泛的领域得到应 用，为我们的生活和工作 带来更多便利和创新。
总结
数字输入输出端口是计算 机和外部设备进行数据交 换的重要接口，它在各个 领域都发挥着重要作用， 我们需要继续关注和研究 其发展。
数字输入输出端口
数字输入输出端口是一种用于输入和输出数字信号的接口，具有定义清晰、 使用方便等特点。
什么是数字输入输出端口？
数字输入输出端口是用于将计算机和外部设备进行数据交换的接口。它可以通过发送和接收特定 的电信号，实现对外部设备的控制和通信。
数字输入输出端口的工作原理
数字信号是以离散的形式表示信息的信号，与模拟信号有着明显的区别。数 字信号在数字输入输出端口中通过特定的编码方式进行生成和读取。
数字输入输出端口的应用
单片机的数字输入 输出端口
单片机是数字电子技术 的重要组成部分，通过 数字输入输出端口实现 对外部设备的控制和通 信。
树莓派的数字输入 输出端口
树莓派是一款功能强大 的微型电脑，数字输入 输出端口是其重要特性 之一，可以应用于智能 家居、机器人等领域。
传感器与数字输入 输出端口
传感器可以将模拟信号 转换为数字信号，并通 过数字输入输出端口与 计算机实现信息的交互 和处理。
数字输入输出端口的编程方法
针对数字输入输出端口的编程，我们常用的编程语言包括C、C++、Python等。通过编写相应的代 码，可以实现对数字输入输出端口的控制和操作。
总结与展望
数字输入输出端口的 发展历程
接口电路工作原理
接口电路工作原理
接口电路是一种用于连接和协调不同电子设备之间的电路。
其工作原理是通过输入和输出信号的转换、参考电位的匹配以及电气特性的调整来实现不同设备之间的有效通信。
接口电路通常包括输入端、输出端、控制电路和信号转换电路。
输入端接收来自外部设备的信号，将其转换为适合处理的电信号，然后传递给信号转换电路；信号转换电路将输入信号转换为输出信号，并适应输出设备的信号要求和电气特性；最后，输出端将转换后的信号发送到目标设备。
在接口电路中，控制电路起到协调和控制的作用，通过读取输入信号的特性并根据控制策略进行处理，控制信号转换电路的工作，确保信号转换的正确进行。
控制电路可以通过开关电路、数码电路、逻辑电路等来实现。
接口电路的工作原理还包括参考电位的匹配。
不同设备可能具有不同的工作电压和电灵敏度，因此，接口电路应该能够匹配不同设备之间的电位差来实现信号的有效传输和交流。
为此，接口电路通常会引入参考电源或参考电位，以确保输入输出之间的电位差在一定范围内。
总之，接口电路通过信号转换、参考电位匹配和电气特性调整等方式，实现了不同电子设备之间的有效连接和通信。
它是各种电子设备协同工作和互联的关键技术之一。
如何设计和实现电子电路的输入输出接口
如何设计和实现电子电路的输入输出接口一、引言在现代电子技术的应用中，电路的输入输出接口设计和实现是至关重要的一环。
它们承担着将外部信号与内部电路进行有效交互的任务，直接影响着整个系统的性能和功能。
本文将针对如何设计和实现电子电路的输入输出接口进行详细探讨。
二、输入输出接口的基本概念输入输出接口是电子电路与外部世界进行信息交换的桥梁。
在设计过程中，我们需要考虑以下几个基本概念：1.输入接口：负责将外部信号转换为电路能够理解的形式，并将其传递到内部电路中。
常见的输入接口包括传感器、键盘、麦克风等。
2.输出接口：负责将内部电路处理后的信号转换为外部设备可以接收的形式，并将其输出到外部世界。
常见的输出接口包括显示屏、喇叭、电机等。
3.信号转换：输入输出接口中最重要的一环就是信号的转换。
通常，我们需要将不同形态的信号转换为合适的电压、电流或频率，并使其能够完整、准确地传递。
这一过程需要借助于模拟电路和数字电路等技术手段。
三、设计输入输出接口的基本步骤设计和实现电子电路的输入输出接口可以分为以下几个基本步骤：1.需求分析：明确系统对输入输出接口的需求，包括接口类型、精度要求、传输速率等。
根据实际应用场景，选择合适的输入输出接口方案。
2.信号转换：根据所选方案，进行信号转换电路的设计。
对于模拟信号，可以采用放大器、滤波器等电路实现；对于数字信号，可以采用模数转换器、数模转换器等器件来实现。
3.电气特性匹配：确保输入输出接口的电气特性与外部设备的要求相匹配。
这包括电压、电流、阻抗等参数的校准，以确保信号能够正常传递并不会损坏外部设备。
4.保护措施：考虑到外部环境可能存在的干扰和突发情况，需要在输入输出接口中添加适当的保护措施，如过压保护、过流保护、抗干扰设计等，以保证系统的稳定性和可靠性。
5.测试验证：在完成设计和制作后，需要进行充分的测试验证工作，确保输入输出接口的性能满足设计要求，并能够在实际应用中稳定可靠地工作。
广东工业大学STM8S系列单片机原理与应用 复习
✧─数据存储器：多达1K字节真正的数据EEPROM；可达30万次擦写✧RAM：多达2K字节时钟、复位和电源管理✧ 3.0~5.5V工作电压，内核电压1.8V✧灵活的时钟控制，4个主时钟源✧–低功率晶体振荡器✧–外部时钟输入✧–用户可调整的内部16MHz RC✧–内部低功耗128kHz RC✧带有时钟监控的时钟安全保障系统电源管理：✧–低功耗模式(等待、活跃停机、停机)✧–外设的时钟可单独关闭✧永远打开的低功耗上电和掉电复位中断管理✧带有32个中断的嵌套中断控制器✧ 6个外部中断向量，最多37个外部中断定时器✧2个16位通用定时器，带有2+3个CAPCOM通道(IC、OC 或PWM)✧高级控制定时器：16位，4个CAPCOM✧通道，3个互补输出，死区插入和灵活的自动唤醒定时器✧2个看门狗定时器：窗口看门狗和独立看门狗通信接口✧带有同步时钟输出的UART ，智能卡，红外IrDA，LIN接口✧SPI接口最高到8Mbit/s✧I2C接口最高到400Kbit/s2.2 STM8S系列MCU内部结构 P222.2.1 STM8内核CPU P24PC为24位，可寻址224＝16Mb累加器(A) ,堆栈指针(SP),索引寄存器(X和Y),条件码寄存器(CC):2.2.2 STM8S封装与引脚排列2.3掌握通用I/O口GPIO初始化P31●可选择的输入模式：悬空输入（缺省状态）和带上拉输入●可选择的输出模式：推挽式输出和开漏输出PB_DDR,PB_CR1,PB_CR22.3.1 I/O引脚结构2.3.2 I/O端口数据寄存器与控制寄存器2.3.3输入模式2.3.4输出模式每一个端口都有一个输出数据寄存器 (ODR)，一个引脚输入寄存器(IDR)和一个数据方向寄存器(DDR) 总是同相关的。
控制寄存器1(CR1)和控制寄存器2(CR2)用于对输入/输出进行配置。
任何一个I/O引脚可以通过对DDR,ODR,CR1和CR2寄存器的相应位进行编程来配置。
《输入输出接口》课件
01 传输速率
衡量数据传输速度的重要指标，决定设备的数据处 理效率。
02 数据稳定性和可靠性
保证数据传输过程中数据稳定性和可靠性，避免数 据丢失或损坏。
03 兼容性和扩展性
设备与不同设备之间的兼容性，以及接口的扩展性， 是影响设备互通性的重要因素。
总结
输入输出接口在计算机系统中扮演着至关重要的角色，其技 术原理涉及物理连接、通信协议、数据处理和性能指标等多 个方面。只有深入了解和掌握输入输出接口的技术原理，才 能更好地应用于实际生产和工作中。
未来输入输出接口的趋势
个性化定制接 口
根据不同用户需求 定制接口功能
多功能集成接 口
整合多种接口功能， 提升设备性能
01 技术标准的统一和整合
不同设备间的兼容性与统一标准问题
02 硬件与软件协同发展
接口硬件与软件的协同设计与优化
03
创新技术的应用推 不动断探索新技术，推动输入输
出接口的创新与发展
输入输出接口的分类
并行接口
同时传输多个数据 位
通用接口
具有多种功能
串ห้องสมุดไป่ตู้接口
逐位传输数据
● 02
第2章 输入输出接口的技术 原理
输入输出接口的 物理连接
输入输出接口的物理连接包括插口、插槽等连接方式。这 些连接方式在设备之间传输数据起着至关重要的作用，而 接口标准及接口规范则规定了各种设备之间通信的准则和 规范。
输入输出接口的通信协议
数据传输方式
串行传输
通信协议
USB
通信协议
RS232
数据传输方式
并行传输
数据缓冲与缓存
数据缓冲用于临时存储数据， 以平衡不同速度设备之间的数 据传输。缓存则用来提高数据 访问速度和性能。
输入输出接口和输入输出通道优秀课件
50~9600波特之间， 高速可达19200波 特。
串行通信多采
用异步通信，收发
双方的时钟误差或
波特率误差允许值
4~5%。
4 ）同步通信
采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，通 常称为信息帧。在每帧信息的开始加上同步字符， 接着字符一个接一个的传输。在没有信息要传送时， 要添上空字符，因同步传输不允许有间隙。
输入输出接口和输入输 出通道
门电路
& 与非门
=1 异或
≥1 或门 1 非
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2.1 概 述
➢ 计算机控制系统的硬件组成：主机、外围设备 ➢ 两类外设： 1）常规外设，如键盘、CRT、打印机、磁盘机 2）被控设备和检测仪表、显示装置、操作台等 ➢ 无论哪一类外设都要通过Ｉ/O接口和输入/输出通道
通过软件编程指定的。
（4）在短距离的传送中常采用。 常用的并行接口电路芯片，如Z-80系列的
PIO、Intel系列的8255A等。
（二）串行通信
（1）传输线条数n=1～2；
（2）传输线既可做数据线又可做联络线用；
（3）每个数据都占一个固定的时间长度；
串行通信分为全双工方式和半双工方式、同步方式 和异步方式。
状态信息
围
系 统
控制信息
设 备
三、计算机和外部的通讯方式
1）并行通信
2）串行通信
3）有线网络通信
4）无线通信 （P17）
（一）并行通信
（1）传输线条数n = 传送数据的位数n； （2）传送速度快、信息率高； （3）握手信号线一般是两条（控制和状态线） 握手信号线在某些芯片中是固定的，某些则是
查询式I/O接口简化流程图
➢ 数据采集的参量分两类：
输入输出接口电路
输入输出接口技术第一节接口技术的基本概念一、接口的概念和功能二、接口电路的典型结构三、接口功能第二节I/O端口的编址和译码一、I/O端口的编址方式二、输入/输出指令三、I/O端口的译码第三节CPU与外设间的数据传送方式一、无条件传送方式二、条件传送方式三、中断传送方式四、DMA传送方式一、接口的概念和功能1 接口：指CPU与存储器和外设之间通过总线进行连接的电路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站。
为什么要在CPU与外设之间设置接口电路？其一，CPU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能定义、逻辑定义和时序关系上都不一致；其二，两者的工作速度不兼容，CPU速度高，外设速度低； 其三，若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，就会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率；其四，若外部设备直接由CPU控制，也会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。
因此，有必要设置接口电路，以便协调CPU与外设两者的工作，提高CPU的效率，并有利于外设按自身的规律发展。
2 接口技术：是研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配，实现双方高效、可靠地交换信息的一门技术，是软件、硬件结合的体现，是微机应用的关键。
微机接口技术综合性很强，所涉及的知识面很宽，包括微机原理、汇编语言（或高级语言）程序设计、电子技术、自控原理以及通信技术等多门课程的基础理论和专业知识。
3.接口技术在微机应用中的作用微机应用系统的研究和微机化产品的开发，从硬件角度来讲，就是接口电路的研究和开发，接口技术已成为直接影响微机系统的功能和微机推广应用的关键。
微机的应用是随着外部设备的不断更新和接口技术的发展而深入到各个领域的。
1从编程角度看，接口内部主要包括一个或多个CPU可以进行读/写操作的寄存器，又称为I/O端口。
2各I/O端口由端口地址区分。
3按存放信息的不同，I/O端口可分为三种类型数据端口：用于存放CPU与外设间传送的数据信息状态端口：用于暂存外设的状态信息控制端口：用于存放CPU对外设或接口的控制信息，控制外设或接口的工作方式。
PLC输入输出接线全解析,史上最全
PLC输入输出接线全解析,史上最全PLC（可编程逻辑控制器）是一种用于自动化控制系统的数字计算机。
它们被广泛应用于工业控制系统中，用于监控和控制生产过程中的各种设备和机器。
PLC的输入输出接线是PLC系统中最重要的一部分，它们用于将外部信号传递给PLC，以及将PLC的输出信号传递给外部设备。
本文将对PLC输入输出接线进行全面解析，帮助读者更好地理解和应用PLC系统。
一、PLC输入输出接线的基本原理。
PLC的输入输出接线是通过连接电缆和接线端子来实现的。
PLC系统通常包括输入模块和输出模块。
输入模块用于接收外部信号，输出模块用于向外部设备发送控制信号。
输入模块和输出模块之间通过PLC的中央处理器进行数据交换和处理。
PLC的输入输出接线通常采用数字信号，即0和1表示开关状态。
输入信号可以是开关、传感器、按钮等，输出信号可以是继电器、电机、灯等。
通过输入输出接线，PLC可以实现对外部设备的监控和控制。
二、PLC输入输出接线的连接方式。
1. 输入模块的连接。
输入模块通常包括多个输入端子，每个输入端子对应一个外部信号。
输入端子可以通过电缆连接到外部设备，也可以通过连接器连接到PLC系统的输入模块。
在连接输入模块时，需要注意输入端子的极性和接线顺序，确保输入信号能够正确传递到PLC系统。
2. 输出模块的连接。
输出模块通常包括多个输出端子，每个输出端子对应一个外部设备。
输出端子可以通过电缆连接到外部设备，也可以通过连接器连接到PLC系统的输出模块。
在连接输出模块时，需要注意输出端子的极性和接线顺序，确保PLC系统的输出信号能够正确传递到外部设备。
三、PLC输入输出接线的接线方法。
1. 输入模块的接线方法。
输入模块的接线方法包括并联接线、串联接线和混合接线。
并联接线是将多个输入信号连接到同一个输入端子，串联接线是将多个输入信号连接到不同的输入端子，混合接线是将并联接线和串联接线结合起来。
在进行输入模块的接线时，需要根据实际情况选择合适的接线方法，确保输入信号能够准确传递到PLC系统。
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例10-1假设U1扩展输出引脚输出的信息存放在EDATA1单元中，U2扩展输出引脚输出的 信息存放在EDATA1+1单元中，则将数据串行输出到74HC595的输出 端的程序段如下：
;在RAM1段定义EDATA1、EDATA2 EDATA1 DS.B 1 ;U１输出信息 EDATA2 DS.B 1 ;U2输出信息 ;---I/O引脚初始化--BSET PC_DDR,#4 ;1,PC4引脚定义为输出(SDI) BSET PC_CR1,#4 ;1,选择推挽方式 BSET PC_CR2,#4 ;1,选择高速输出 #Define Sdi PC_ODR,#4 ;1,PC4引脚定义为串行数据输入端(SDi) BSET PC_DDR,#3 ;1,PC3引脚定义为输出(SCLK) BSET PC_CR1,#3 ;1,选择推挽方式 BSET PC_CR2,#3 ;1,选择高速输出 #Define SCLK PC_ODR,#3 ;1,PC3引脚定义为串行移位脉冲SCLK BRES SCLK ;静态时SCLK引脚输出低水平
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例如，对STM8S芯片标准驱动能力引脚来说，当负载电
流均为4 mA时(芯片温度为85℃)，从技术手册查到在拉电流 负载状态下，P沟管压降(VDD-VOH)为0.5 V，而在灌电流负 载状态下，N沟管压降(VOL)约为0.3 V，管耗差0.8 mW。 尽管许多MCU芯片单个I/O引脚拉电流及灌电流能力均达
10.2.3 利用MCU扩展I/O
不仅扩展了I/O引脚，也扩展了其它硬件资 源； ② 部分工作可由扩展MCU完成，减轻了主 MCU的负担。 ③ MCU I/O端口电平状态可以编程设定，从 面少去承担逻辑转换的与非门电路芯片。 可使用UART、SPI接口同步串行通信方式工 并行通信方式实现两个MCU之间的信息交 换。
10～20 mA，驱动小尺寸LED发光二极管似乎不是问题，但
受MCU芯片散热条件限制，同一个I/O口以及所有I/O引脚 电流总和有严格的限制(参见2.3.7节)。因此，当灌电流或拉 电流大于2 mA时，建议在负载与MCU芯片之间增设驱动器 (门电路或三极管等)，如图10-6(c)～(e)所示。
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①
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10.2.3 利用MCU扩展I/O
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10.3 STM8S与总线接口设备的连接
STM8S系列MCU总线不开放，当需要与总 线接口设备，如总线接口液晶模块（LCM） 相连时，可用MCU的某一个I/O引脚模拟总 线接口设备的读选通信号（/RD）以及定控 制信号（/WR）。 可将其中功能单一的I/O口作为数据总线接 口。如64引脚或80引脚封装的PG口。
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10.3 简单显示驱动电路
6.3.1 发光二极管
发光二极管在本质上与普通 二极管差别不大，也是一个PN结， 同样具有正向导通，反向截止的 特性。发光二极管的伏安特性曲 线与普通二极管相似，如图6-12 所示(为了便于比较，图中用虚线 表示普通二极管的伏安特性曲线)。
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10.2.1 STM8S 系统扩展I/O引脚资源策略 STM8S芯片总线不开放，在STM8S中扩展I/O引脚的 原则是： （１）外部所有输入信号直接与MCU的I/O引脚相连， 以便MCU直接处理。 （２）高速输出信号直接从MCU芯片I/O引脚输出。 （３）当I/O引脚资源紧张时，低速脉冲信号、电平 信号可通过串入并出移位寄存器芯片，如一片或两 片74HC595串行输出。 （４）更换封装。 （５）必要时可考虑用另一个MCU芯片扩展I/O引脚。
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图10-４
ST8S MCU与总线设备连接示意图
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;实现图10-4所示连接的数据口初始化指令系列： MOV PG_CR1,#0FFH ;输出为推挽，输入为带上拉电阻 CLR PG_CR2 ;输出时，PG口处于低速方式 BRES PC_ODR,#2 ;输出片选信号/CE ;NOP MOV PG_DDR,#0FFH ;PG定义为输出 MOV PG_CR2,#0FFH ;根据速度，选择PG口输出信号边沿时间 LD PG_ODR,A ;数据输出 BRES PC_ODR,#4 ;使写控制信号/WR为低电平，形成/WR选通脉冲的前沿(下降沿) ;NOP BSET PC_ODR,#4 ;使写控制信号/WR为高电平，形成/WR选通脉冲的后沿(上降沿) BSET PC_ODR,#2 ;如果是非连续写操作，则取消片选信号/CE ;---读操作指令系列 BRES PC_ODR,#2 ;输出片选信号/CE ;NOP CLR PG_DDR ;PG口定义为输入 CLR PG_CR2 ;为０，输入时可不理会CR2的内容 BRES PC_ODR,#3 ;使选通信号/RD为低电平，形成/RD选通脉冲的前沿（下降沿） ;NOP LD A,PG_IDR ;从总线读数据 BSET PC_ODR,#3 ;使选通信号/RD为高电平，形成/RD选通脉冲的后沿（上降沿） BSET PC_ODR,#2 ;如果是非连续读操作，则取消片选信号/RD
MCU芯片I/O引脚驱动，如图10-6(a)所示。
对于推挽输出引脚，采用图10-6(b)所示的高电平有效驱动方式似乎 没有什么不妥，但是应该避免使用高电平有效驱动方式，原因是空穴迁
移率远低于电子迁移率，导致尺寸、掺杂浓度相同的P沟MOS管沟道电
阻大于N沟MOS管，除非是上下两管导通电阻相同(体现在相同驱动电流 的情况下，两管压降相同)。
LED 材 料 砷化镓 (GaAs) 磷化镓铟 (InGaP) 磷砷化镓 (GaAsP) 镓铝砷 (GaAlAs) 磷化镓 (GaP) 氮化镓铟 (InGaN) 磷化铟镓( 铝 AlGaInP) 光颜色 红光 红光 /黄橙 红光 红光 红光 蓝光 橙绿 /绿光 正向导通电V 压 F (V) 1.2 1.～ 6 2.0 1.～ 6 1.8 1.～ 6 1.8 1.～ 9 2.5 3.～ 0 3.7 3.～ 0 3.5
在矩阵编码方式中，如果 行线、列线均定义为输出状态， 就可以输出N×M个开关量；当 行、列线中有一组为输出线，另 一组为输入线时就构成了N×M 个输入检测点，如矩阵键盘电路。
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10.2 I/O资源及扩展
通过单片机实现数字信号的输入处理和输出控制时，必 须了解以下问题： (1) 准确理解CPU中各引脚的功能，确定可利用的I/O资源， 并做出相对合理的使用规划。 (2) 作输出控制信号时，必须了解CPU复位期间和复位后该 引脚的状态。 MCS-51系列CPU在复位期间和复位后各I/O端 口的状态可参阅第2章有关内容。 (3)了解I/O端口输出级电路结构和I/O端口的负载能力。只 有了解了CPU I/O端口输出级电路结构和负载能力，才可能 设计出原理正确、工作可靠的I/O接口电路。 (4)了解I/O端口输出电平范围 。 (5)了解I/O端口耐压。
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2. 编码输入/输出方式
在这种方式中，将若干条用途相同（均为输入或输出） 的I/O引脚组合在一起，按二进制编码后输入或输出。例如， 对于n条输出引脚，经过译码后，可以控制2n个设备；对于2n 个不同时有效的输入量，经过编码器与CPU连接时，也只需 要n个引脚，如图 (b)所示。
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BSET PC_DDR,#2 ;1,PC2引脚定义为输出(PCLK) BSET PC_CR1,#2 ;1,选择推挽方式 BRES PC_CR2,#2 ;0,选择低速输出 #Define PCLK PC_ODR,#2 ;将PC2引脚定义为并行送数脉冲PCLK BRES PCLK ;静态时PCLK引脚输出低水平 ;-------串行数据输出程序段---------LDW X,#1 ;先输出U2芯片的引脚信息 Serial_LOOP1: LD A,(EDATA1,X) ;取输出数据 MOV R03,#8 ;左移８次 Serial_LOOP2: BRES SCLK ;串行移位脉冲SCLK置为低电平 RLC A ;带进位C循环左移，即先输出b7位 BCCM Sdi ;C送Sdi引脚(即数据送SDI引脚) NOP ;插入NOP适当延迟 BSET SCLK ;置为高电平，形成上升沿 DEC R03 JRNE R03,Serial_LOOP2 DECW X JRPL Serial_LOOP1 ;当X>=0时，循环 BRES SCLK ;串行移位脉冲SCLK恢复为低电平状态 BSET PCLK ;并行输出锁存脉冲PCLK置为高电平，形成上升沿 NOP ;延迟 广东工业大学物理与光电工程学院© BRES PCLK ;并行输出锁存脉冲PCLK恢复为低电平状态
增大而增大，在器件因功耗增加而损坏前观察不到亮度饱和
现象。 LED发光二极管工作电流一般控制在2～20 mA之间，最
大不超过50 mA，否则会损坏。而小尺寸高亮度LED工作电
流控制在2～10 mA范围内，就可获得良好的发光效果。
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10.4.2
驱动电路
直径在5 mm以下的小尺寸高亮度LED工作电流不大，一般可直接由
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LED二极管的亮度与LED材料、结构以及工作电流有关。
一般来说，工作电流越大，LED二极管的亮度也越大，但亮 度与工作电流的关系因材料而异。例如GaP发光二极管，当 工作电流增加到一定数值后，电流增加，LED亮度不再增大， 即出现亮度饱和现象。而GaAsP发光二极管的亮度随电流的
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10.1 开关信号输入/输出方式
开关信号包括脉冲信号、电平信号。在单片 机控制系统中，常采用如下几种方式现实开关 信号的输入和输出。
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