李蔭瓏 丘珊珊

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

1 設計背景概況

隨著消費者的審美觀的提高，產品設計的美觀感、人性化設計要求也越來越高，目前，在空調控制器設計中，需要很多引腳來實現各種輸入檢測和輸出控制。因為成本原因，常常不能選擇更多引腳的芯片，而需要合理利用低成本芯片，將芯片原本有的資源利用到極致[1]。在使用過程中，許多用戶也發(fā)現了單片機的部分缺點，最典型的缺點是：輸入輸出（IO）端口有限。因此如何增加和有效利用單片機的端口成為應用系統設計中的重要環(huán)節(jié)[2]。如需要實現更多功能，需要更多的IO口必不可免，可根據功能需要設計IO口復用電路，根據設計方案，選擇相應的復用電路，有效解決主芯片IO口的緊缺問題，在芯片選型上，便可選擇低成本的主芯片，在IO口的復用方案上，主要有以下幾種方案，選擇口電路與顯示電路復用、撥碼開關電路與顯示電路復用、選擇口電路與2003芯片驅動電路復用、按鍵電路與顯示電路的復用，開發(fā)產品時，根據產品功能，設計不同的方案。

2 IO口復用硬件設計

2.1 與2003芯片復用

當選擇口較多，且主芯片IO口資源有限時，可設計選擇口與2003芯片復用，芯片口上電設置為輸入口，檢測選擇口狀態(tài)，確定選擇口狀態(tài)后，將芯片口設置為輸出口，用于驅動2003芯片。此處選擇口主要為上電時需要確定的某一種狀態(tài)，例如：機型選擇口、快測口等；2003芯片，主要用于負載的驅動，例如：步進電機、電子膨脹閥等負載，以步進電機的復用為例，其電路原理圖可按如圖1 所示。圖中2003芯片用于驅動掃風電機，R1、R2、R3、R4為復用選擇口時所用的上拉電阻。以其中一路為例，做為選擇口時，通過上拉電阻R1可確定高電平狀態(tài)，如果不裝上拉電阻時，通過限流電阻R5以及2003內部電阻下拉到低，確定低電平狀態(tài)，此可實現選擇功能，確定選擇功能后，正常作為2003的驅動口使用。

使用該復用電路，可節(jié)省4 個IO口，如果2003芯片管腳全使用的情況下，最多可節(jié)省7 個IO口。對于該電路設計，需要使用2003芯片內部固定的電阻，在外圍電路的上拉電阻、芯片口限流電阻，需要根據實際情況進行選定，確保高低電平的可靠性。以其中一路為例，R1以及R5的選型需要滿足芯片口的拉電流、灌電流、高低電平輸入電壓等要求。當選擇口需要低電平時，即不安裝上拉電阻R1時，具體的計算如下：拉電流I1=（5-0.7-0.7）/（R5+R內），此驅動電流不得大于主芯片IO口的驅動電流（拉電流）。當選擇口需要高電平時，即安裝上拉電阻R1時，具體的計算方法如下：拉電流I2=（5-0.7-0.7）/（5-0.7-0.7）/（R5+R 內），灌電流I3=5/R1，輸入電壓V=（5-0.7-0.7）*（(R5+R內)/（R5+R內+R1））+1.4。（注：R內為2003芯片內部限流電阻，一般為2.7 K，此外需要考慮R1、R5、R內等電阻的極限電阻值，例如部分電阻有1 % 或5 % 的阻值偏差）。拉電流、灌電流、輸入電壓均需要滿足主芯片的規(guī)格要求，根據以上的計算公式，便可確定上拉電阻以及限流電阻的阻值，確保主芯片IO口的輸入輸出均可滿足芯片要求。避免造成芯片損壞或功能缺失。實現選擇口與2003芯片的復用，實現IO口復用的可行性，從而較少IO口芯片的使用。

2.2 與顯示電路復用

顯示的使用應用于各個領域，例如空調的溫度、模式顯示，小家電產品的功能指示燈等，顯示模塊主要涉及數碼管、LED指示燈等，其一般以共陰極或共陽極進行電路設計，常用的顯示驅動方式有陰極掃描、陽極掃描，其占用芯片管腳最少需要9 個IO口，如在設計開發(fā)中，主芯片資源較少時，可設計與顯示電路復用的方案，具體電路原理圖如圖2所示，圖中涵蓋了撥碼開關與顯示電路的復用、快測口與顯示電路的復用、選擇口與顯示電路的復用、開關按鍵與顯示電路的復用。

顯示掃描與復用功能（撥碼檢測、快測口、按鍵檢測、選擇口檢測等）使用分時復用的方式進行檢測和顯示驅動（注：圖2中，陰極A～G，使用低電平掃描），可配置0.625 ms的定時中斷，顯示掃描及復用檢測功能放至中斷中處理，0.625 ms分時處理顯示驅動和復用功能的檢測，為減少中斷的處理時間，中斷中僅處理驅動的掃描以及復用功能的掃描檢測，具體的顯示內容以及復用功能的處理放至主循環(huán)中，此可提高中斷的執(zhí)行效率。需要注意的是，在處理顯示過程中，需要合理操作位碼、段碼開通和關閉時序，可解決顯示漏光的問題。例如：共陽極數碼管結構，進行陰極掃描，關斷順序為關陽極，再關陰極；開通順序為先開陰極，再開陽極；共陰極數碼管結構，陰極掃描方式，關斷、開通順序則反之。

電路圖中二極管，其在電路中的作用主要為多路復用功能同時起作用時（例如兩個按鍵同時按下），防止相互影響，防止檢測錯誤。圖2中數碼管A～G口掃描低電平，二極管方向不可更改，如果端口A～G掃描輸出為高電平，則需要更改二極管方向，上拉電阻更改為下拉。如果復用電路中無二極管，則兩個按鍵按下或多個復用功能起作用時，復用功能檢測不正確，且會影響顯示，故此處的二極管不可少，二極管的選型需要根據具體主芯片電氣特性決定，如主芯片檢測的低電平要求的電壓較高，可選擇導通壓降較高的二極管，反之，則需要選擇導通壓降較低的二極管，避免主芯片無法準確檢測到可靠的低電平信號。也可在公共端使用三極管，利用三級管的開關確定輸出狀態(tài)，如此便可不考慮二極管的導通壓降，選擇較低成本的二極管便可。

根據此電路設計方案，使用分時復用的方式，可有效減少IO口的數量，適用于IO口資源少的主芯片設計中，根據此電路的設計，增加一個IO口，便可設計8 個（8 段位選）按鍵（或者選擇口、撥碼開關、快測口等）。相對于單獨顯示、單獨按鍵驅動、單獨撥碼開關或是單獨的選擇口配置電路，此方案有效節(jié)省IO口，功能靈活可靠。

3 IO口復用軟件設計

3.1 與2003芯片復用

在軟件設計中，上電初始化將復用的IO口設置成輸入口，在主函數循環(huán)處理之前，讀取完成選擇口的狀態(tài)（高低電平），此需要注意的是，讀取選擇口時，注意防抖操作，此方案可選擇連續(xù)時間讀取相同狀態(tài)，如果在此連續(xù)時間內，讀取狀態(tài)一致，則確定選擇口功能。待完成讀取選擇口功能后，將復用的IO口設置成輸出狀態(tài)，進行輸出驅動相應的負載操作。

3.2 與顯示電路復用

配置一個定時中斷，每間隔0.625 ms進入中斷處理，顯示驅動以及復用電路的檢測，通過分時復用的方式進行處理。

上電初始化時，將顯示模塊的段選、位選端口設置成輸出狀態(tài)，默認高電平或是低電平（根據具體電路確定，原則是上電數碼管或是LED指示燈不點亮），復用端口的檢測口設置成輸入狀態(tài)。

進入顯示驅動處理時，每次進入顯示處理，輪流對位選端口輸出低電平，當需要點亮某一路的LED段時，通過公共端口輸出高電平（根據實際電路設計確定，共陰極，公共端需要高電平，位選端需要低電平），便可點亮對應的LED。

進入復用電路檢測時，根據對應顯示位選依次輸出的控制（低電平），當有按鍵按下時，復用端口便可檢測到低電平狀態(tài)（如無按鍵按下，則為高電平），便可檢測是否有按鍵按下，同理，撥碼開關檢測、選擇口檢測、快測口檢測，如果檢掃描到該位選時，檢測到對應的低電平狀態(tài)，便可確定撥碼開關、選擇口、快測口的狀態(tài)。在檢測復用功能時，需要做防抖處理，一般情況，為了不增加硬件成本，首選軟件防抖的形式，可使用芯片底層輸入防抖配置或軟件功能進行檢測延時處理，即通過連續(xù)時間采樣到相同的高電平或是低電平信息，才確定有效輸入狀態(tài)。

程序設計時，需要注意該輸出端口是否為漏極開路口，如果是，確定該芯片是否可進行軟件設置（設置成普通輸出口），如果不能進行軟件設置，需要在該端口配置上拉電阻，確?？奢敵龈唠娖綘顟B(tài)，也避免開發(fā)工作來回修改。

4 實驗驗證

根據復用電路及軟件設計，在產品使用中，測試控制器電路板上相關波形，如下圖3為測試與顯示電路復用方案中，芯片口測試波形。綠色為復用口均導通（安裝電阻或按鍵按下或撥碼開關撥至ON位置）時芯片口波形，當陰極輸出掃描低電平時，芯片檢測均為低電平，測試波形符合設計要求。黃色線為復用電路中其中6 路導通，2 路不導通的情況，當陰極輸出掃描低電平時，其中2 路檢測為高電平外，其余均為低電平，測試波形符合設計。根據測試情況，高點平4.63 V，低電平0 V，滿足主芯片檢測高低電平電壓要求。

圖4為單按鍵按下時，按鍵檢測口測試波形圖，測試高電平時長1.25 ms，占總時長的1/8，測試數據滿足設計要求。

圖5為上電時刻，與顯示電路復用芯片口檢測波形，軟件設計對選擇口、撥碼開關、快測口等需要掉電配置有效檢測的功能進行檢測。檢測完成后，釋放相應的端口。根據實際測試波形所示，上電后，先進行復用口檢測，使用16 次防抖檢測（16 次連續(xù)檢測狀態(tài)有效），檢測有效后，程序運行其他功能，滿足設計要求。

圖6為2003驅動步進電機時的復位電路上電時芯片輸出波形，上電后先進行選擇口判斷，上電時IO口為輸入口，理論計算檢測高電平為4.48 V，實際測試4.52 V，待確認后，芯片口做輸出驅動2003，根據實際測試波形，滿足設計需求。

5 總結

如上IO口復用的硬件軟件方案，經過實際測試、分析、運用到產品中，方案可行?？烧_驅動2003的同時，可正確檢測選擇口狀態(tài)；在顯示正常情況，按鍵檢測無異常，選擇口、撥碼開關、快測口檢測正確。且多按鍵、按鍵與撥碼開關、快測口與選擇口等多復用電路之間相互無影響、不干涉；軟硬件設計方案穩(wěn)定可靠，可大范圍推廣使用。

通過以上兩種方案，在日常電子控制器產品開發(fā)時，可有效解決主芯片IO口短缺的問題，目前，家電產品、工業(yè)產品等各行各業(yè)均在降低開發(fā)成本，主芯片有從60引腳（或是更多引腳數量）降低到32引腳，按以往的設計思路，儼然不能滿足目前的產品開發(fā)需求，需要尋求降低IO口的設計方案，顯然，以上兩種方案設計滿足目前低成本芯片的開發(fā)需求，且軟硬件開發(fā)難度不大，可推廣性強。

此方案可推廣使用的場所范圍較廣，需要使用到2003驅動，具有顯示（數碼管或者LED指示燈）功能的控制器均可使用，例如家電產品、工業(yè)自動化設備以及智能產品等，均可運用此設計方案，以解決引腳欠缺的問題。