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1、組誠募管理員，“活躍之星”活動火熱進行中 【免費申請】中國軟件全球營銷論壇門票——上海2012 AVR單片機IO口結(jié)構(gòu) 2009-11-08 16:161387人閱讀評論(2)收藏舉報 AVR的IO是真正雙向IO結(jié)構(gòu)，由于大部分網(wǎng)友都是從標準51轉(zhuǎn)過來的，受標準51的準雙向IO和布爾操作概念影響，沒能掌握AVR的IO操作，所以有必要撰文說明一下 其實采用真正雙向IO結(jié)構(gòu)的新型MCU很多，常用的有 增強型51，PIC,AVR等 先簡單的回顧一下標準51的準雙向IO結(jié)構(gòu) 這種準雙向IO結(jié)構(gòu)的特點是 1 輸出結(jié)構(gòu)類似 OC門，輸出低電平時，內(nèi)部NMOS導(dǎo)通，驅(qū)動能力較強(8

2、00uA)；輸出高電平靠內(nèi)部上拉電阻，驅(qū)動能力弱(60uA)。 2 永遠有內(nèi)部電阻上拉(P0口除外)，高電平輸出電流能力很弱，所以即使IO口長時間短路到地也不會損壞IO口 (同理，IO口低電平輸出能力較強,作低電平輸出時不能長時間短路到VCC) 3 作輸入時，因為OC門有"線與"特性,必須把IO口設(shè)為高電平(所以按鍵多為共地接法) 4 作輸出時，輸出低電平可以推動LED(也是很弱的)，輸出高電平通常需要外接緩沖電路(所以LED多為共陽接法) 5 軟件模擬 OC結(jié)構(gòu)的總線反而比較方便-----例如 IIC總線 * P0口比較特殊，做外部總線時，是推挽輸出，做普通IO時沒有內(nèi)部上拉電阻

3、，所以P0口做按鍵輸入需要外接上拉電阻。 * OC門:三極管的叫集電極開路，場效應(yīng)管的叫漏極開路，簡稱開漏輸出。具備"線與"能力,有0得0。 * 為什么設(shè)計成輸出時高電平弱，低電平強----是考慮了當年流行的TTL器件輸入特性 　 AVR的真正雙向IO結(jié)構(gòu)就復(fù)雜多了，單是控制端口的寄存器也有4個 PORTx.DDRx,PINx,SFIOR(PUD位)，不過功能也強勁多了 作為通用數(shù)字I/O 使用時，所有AVR I/O 端口都具有真正的讀- 修改- 寫功能。 這意味著用SBI 或CBI 指令改變某些管腳的方向( 或者是端口電平、禁止/ 使能上拉電阻) 時不會無意地改變其他管腳的方

4、向( 或者是端口電平、禁止/ 使能上拉電阻)。 輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動能力，可以輸出或吸收大電流，直接驅(qū)動LED。 所有的端口引腳都具有與電壓無關(guān)的上拉電阻。 并有保護二極管與VCC 和地相連。 * (很多數(shù)字器件都有保護二極管，在低功耗應(yīng)用時要考慮保護二極管的電流倒灌的影響) 每個端口都有三個I/O 存儲器地址: 數(shù)據(jù)寄存器 – PORTx 數(shù)據(jù)方向寄存器 – DDRx 端口輸入引腳 – PINx。 數(shù)據(jù)寄存器PORTx和數(shù)據(jù)方向寄存器DDRx為讀/ 寫寄存器，而端口輸入引腳PINx為只讀寄存器。 但是需要特別注意的是，對PINx 寄存器某一位寫入邏輯"1“ 將造成數(shù)據(jù)

5、寄存器相應(yīng)位的數(shù)據(jù)發(fā)生"0“ 與“1“ 的交替變化。 當寄存器MCUCR 的上拉禁止位PUD置位時所有端口引腳的上拉電阻都被禁止。 在( 高阻態(tài)) 三態(tài)({DDxn, PORTxn} = 0b00) 輸出高電平({DDxn, PORTxn} = 0b11) 兩種狀態(tài)之間進行切換時， 上拉電阻使能({DDxn, PORTxn} = 0b01) 或輸出低電平({DDxn,PORTxn} = 0b10) 這兩種模式必然會有一個發(fā)生。 通常，上拉電阻使能是完全可以接受的，因為高阻環(huán)境不在意是強高電平輸出還是上拉輸出。 如果使用情況不是這樣子，可以通過置位SFIOR 寄存器的PUD 來禁止所有

6、端口的上拉電阻。 在上拉輸入和輸出低電平之間切換也有同樣的問題。 用戶必須選擇高阻態(tài)({DDxn,PORTxn} = 0b00) 或輸出高電平({DDxn, PORTxn} = 0b10) 作為中間步驟。 不論如何配置DDxn，都可以通過讀取PINxn 寄存器來獲得引腳電平 PINxn寄存器的各個位與其前面的鎖存器組成了一個同步器。 這樣就可以避免在內(nèi)部時鐘狀態(tài)發(fā)生改變的短時間范圍內(nèi)由于引腳電平變化而造成的信號不穩(wěn)定。 其缺點是引入了延遲。 AVR IO具備多種IO模式: 1 高阻態(tài) ，多用于高阻模擬信號輸入，例如ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入,模擬比較器輸入 2 弱上拉狀態(tài)(Rup=

7、20K~50K)，輸入用。為低電平信號輸入作了優(yōu)化，省去外部上拉電阻，例如按鍵輸入，低電平中斷觸發(fā)信號輸入 3 推挽強輸出狀態(tài)，驅(qū)動能力特強(>20mA),可直接推動LED，而且高低驅(qū)動能力對稱. 使用注意事項： 寫用PORTx,讀取用PINx 實驗時，盡量不要把管腳直接接到GND/VCC,當設(shè)定不當，IO口將會輸出/灌入 80mA(Vcc=5V)的大電流,導(dǎo)致器件損壞。 作輸入時： 1通常要使能內(nèi)部上拉電阻，懸空(高阻態(tài))將會很容易受干擾。(表面看好像是51的抗干擾能力強，是因為51永遠有內(nèi)部電阻上拉，) 2盡量不要讓輸入懸空或模擬輸入電平接近VCC/2，將會消耗太多的電流，特

8、別是低功耗應(yīng)用場合------CMOS電路的特點 3讀取軟件賦予的引腳電平時需要在賦值指令out 和讀取指令in 之間有一個時鐘周期的間隔，如nop 指令。 4功能模塊(中斷，定時器)的輸入可以是低電平觸發(fā)，也可以是上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā)。 5用于高阻模擬信號輸入，切記不要使能內(nèi)部上拉電阻，影響精確度。例如ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入,模擬比較器輸入 作輸出時： 采用必要的限流措施，例如驅(qū)動LED要串入限流電阻 復(fù)位時: 復(fù)位時內(nèi)部上拉電阻將被禁用。如果應(yīng)用中(例如電機控制)需要嚴格的電平控制，請使用外接電阻固定電平 休眠時: 作輸出的，依然維持狀態(tài)不變 作輸入的，一般無效，但如

9、果使能了第二功能(中斷使能)，其輸入功能有效。例如 外部中斷的喚醒功能。 AVR的C語言IO操作: AVR的C語言基于ANSI C，沒有像51那樣擴展了位操作(布爾操作)，雖然匯編指令里面有SBI/CBI/SBIC/SBIS指令 所以需要采用 位邏輯運算 來實現(xiàn)，這是必須要掌握的。 IO口和功能寄存器的操作方法一樣,但對于部分功能寄存器的讀寫有特殊要求，請參看手冊。 不必考慮代碼效率的問題，如果可能，GCCAVR會自動優(yōu)化為SBI/CBI/SBIC/SBIS指令,跟匯編的效率是一樣的。 例如 iom16.h 里面定義了 #define PA7 7 (這標準頭文件定義了MCU的所

10、有官方定義(包括寄存器，位，中斷入口等)，但管腳的第二功能沒有定義) 想PA7為1 PORTA|=(1< 想PA7為0 PORTA&=~(1< 想PA7取反 PORTA^=(1< 想檢測PA7是否為1 if (PINA&(1< 想檢測PA7是否為0 if !(PINA&(1< * << 為左移運算符，不懂的就要好好復(fù)習C語言基礎(chǔ)了。 注意IO操作的順序: //上電默認DDRx=0x00,PORTx=0x00 輸入，無上拉電阻 假設(shè)PA口驅(qū)動LED的負極，低電平燈亮 初始化方法1: PORTA=0xFF; //內(nèi)部上拉，高電平 DDRA=0xFF; //輸出高電

11、平---------燈一直是滅的 初始化方法2: DDRA=0xFF; //輸出低電平--------燈被錯誤點亮了 PORTA=0xFF; //輸出高電平--------馬上被熄滅了，時間很短(1個指令不到uS時間)，燈閃了一下，眼睛無法察覺 但要是這個IO口是控制炸藥包的點火信號呢？工控場合要考慮可靠性的問題 　 模擬OC結(jié)構(gòu)的IIC總線的技巧: 雖然AVR大多帶有硬件IIC接口，但也有需要使用軟件模擬IIC的情況 可以通過使用外部上拉電阻+控制DDRx的方法來實現(xiàn)OC結(jié)構(gòu)的IIC總線。 IIC的速度跟上拉電阻有關(guān)，內(nèi)部的上拉電阻阻值較大(Rup=20K~50K)，只能用于低速的場合 #define SDA 0 //PC0 #define SCL 1 //PC1 (程序初始化設(shè)定 SDA和SCL都是 PORT=0,DDR=0) #define SDA_0() DDRA|=(1< #define SDA_1() DDRA&=~(1< #define SCL_0() DDRA|=(1< #define SCL_1() DDRA&=~(1< 使用上面的SDA_0()/SDA_1()/SCL_0()/SCL_1()宏即可，直觀，而且效率跟匯編是一樣的