第6章 通用IO接口的基本結(jié)構(gòu)與輸出應(yīng)用

1第6章通用I/O接口基本結(jié)構(gòu)與輸出應(yīng)用2ATmega16芯片有PORTA、PORTB、PORTC、PORTD（簡(jiǎn)稱(chēng)PA、PB、PC、PD）4組8位，共32路通用I/O接口，分別對(duì)應(yīng)于芯片上32根I/O引腳。所有這些I/O口都是雙（有的為3）功能復(fù)用的。

其中第一功能均作為數(shù)字通用I/O接口使用，復(fù)用功能則分別用于中斷、時(shí)鐘/計(jì)數(shù)器、USRAT、I2C和SPI串行通信、模擬比較、捕捉等應(yīng)用。引言

3I/O口的基本結(jié)構(gòu)

每組I/O口配備三個(gè)8位寄存器，它們分別是方向控制寄存器DDRx，數(shù)據(jù)寄存器PORTx，和輸入引腳寄存器PINx（x=A\B\C\D）。I/O口的工作方式和表現(xiàn)特征由這3個(gè)I/O口寄存器控制。4方向控制寄存器DDRx用于控制I/O口的輸入輸出方向，即控制I/O口的工作方式為輸出方式還是輸入方式。當(dāng)DDRx=1時(shí)，I/O口處于輸出工作方式。

當(dāng)PORTx=1時(shí)，I/O引腳呈現(xiàn)高電平，同時(shí)可提供輸出20mA的電流；而當(dāng)PORTx=0時(shí)，I/O引腳呈現(xiàn)低電平，同時(shí)可吸納20mA電流。5當(dāng)DDRx=0時(shí)，I/O處于輸入工作方式

此時(shí)引腳寄存器PINx中的數(shù)據(jù)就是外部引腳的實(shí)際電平，通過(guò)讀I/O指令可將物理引腳的真實(shí)數(shù)據(jù)讀入MCU。此外，當(dāng)I/O口定義為輸入時(shí)（DDRx=0），通過(guò)PORTx的控制，可使用或不使用內(nèi)部的上拉電阻。6表6.1是AVR通用I/O端口的引腳配置情況

表中的PUD為寄存器SFIOR中的一位，它的作用相當(dāng)AVR全部I/O口內(nèi)部上拉電阻的總開(kāi)關(guān)。當(dāng)PUD=1時(shí)，AVR所有I/O內(nèi)部上拉電阻都不起作用（全局內(nèi)部上拉無(wú)效）；而PUD=0時(shí)，各個(gè)I/O口內(nèi)部上拉電阻取決于DDRXn的設(shè)置。7(1).使用AVR的I/O口，首先要正確設(shè)置其工作方式，確定其工作在輸出方式還是輸入方式。

(2)當(dāng)I/O工作在輸入方式，要讀取外部引腳上的電平時(shí)，應(yīng)讀取PINxn的值，而不是PORTxn的值。

(3)當(dāng)I/O工作在輸入方式，要根據(jù)實(shí)際情況使用或不使用內(nèi)部的上拉電阻。

(4)一旦將I/O口的工作方式由輸出設(shè)置成輸入方式后，必須等待一個(gè)時(shí)鐘周期后才能正確的讀到外部引腳PINxn的值。8I/O端口寄存器PA口寄存器—PORTA、DDRA、PINA各個(gè)位的具體定義9

正確使用AVR的I/O口要注意：(1)先正確設(shè)置DDRx方向寄存器，再進(jìn)行I/O口的讀寫(xiě)操作。(2)AVR的I/O口復(fù)位后的初始狀態(tài)全部為輸入工作方式，內(nèi)部上拉電阻無(wú)效。所以，外部引腳呈現(xiàn)三態(tài)高阻輸入狀態(tài)。(3)用戶程序需要首先對(duì)要使用的I/O口進(jìn)行初始化設(shè)置，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定使用I/O口的工作方式（輸出還是輸入），當(dāng)設(shè)定為輸入方式時(shí)，還要考慮是否使用內(nèi)部的上拉電阻。(4)在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，如能利用AVR內(nèi)部I/O口的上拉電阻，可以節(jié)省外部的上拉電阻。AVR通用I/O端口的主要特點(diǎn)雙向可獨(dú)立位控的I/O口ATmega16的PA、PB、PC、PD四個(gè)端口都是8位雙向I/O口，每一位引腳都可以單獨(dú)的進(jìn)行定義，相互不受影響。如用戶可以在定義PA口第0、2、3、4、5、6位用于輸入的同時(shí)定義第1、7位用于輸出，互不影響10AVR通用I/O端口的主要特點(diǎn)Push-Pull大電流驅(qū)動(dòng)每個(gè)I/O口輸出方式均采用推挽式緩沖器輸出，提供大電流的驅(qū)動(dòng)，可以輸出（吸入）20mA的電流，因而能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器?？煽刂频囊_內(nèi)部上拉電阻每一位引腳內(nèi)部都有獨(dú)立的，可通過(guò)編程設(shè)置的，設(shè)定為上拉有效或無(wú)效的內(nèi)部上拉電阻。當(dāng)I/O口被用于輸入狀態(tài)，且內(nèi)部上拉電阻被激活（有效）時(shí)，如果外部引腳被拉低，則構(gòu)成電流源輸出電流（uA量級(jí)）。11AVR通用I/O端口的主要特點(diǎn)DDRx可控的方向寄存器。AVR的I/O端口結(jié)構(gòu)同其它類(lèi)型單片機(jī)的明顯區(qū)別是，AVR采用3個(gè)寄存器來(lái)控制I/O端口。一般單片機(jī)的I/O僅有數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器，而AVR還多了一個(gè)方向控制器，用于控制I/O的輸入輸出方向。由于輸入寄存器PINx實(shí)際不是一個(gè)寄存器，而是一個(gè)可選通的三態(tài)緩沖器，外部引腳通過(guò)該三態(tài)緩沖器與MCU的內(nèi)部總線連接，因此，讀PINx時(shí)是讀取外部引腳上的真實(shí)和實(shí)際邏輯值，實(shí)現(xiàn)了外部信號(hào)的同步輸入。這種結(jié)構(gòu)的I/O端口，具備了真正的讀-修改-寫(xiě)（Read-Modify-Write）特性。1213C語(yǔ)言中的位操作

a|b–-按位或

這個(gè)表達(dá)式指示中a被表達(dá)式中的b按位進(jìn)行或運(yùn)算這慣用于打開(kāi)某些位尤其常用|=的形式例如

PORTA|=0x80;//打開(kāi)位7(最高位)

a&b–-按位與

這個(gè)運(yùn)算在檢查某些位是否置1時(shí)有用例如

If((PORTA&0x81)==0)//檢查位7和位0注意圓括號(hào)需要括在&運(yùn)算符的周?chē)驗(yàn)樗?=相比運(yùn)算優(yōu)先級(jí)較低這是C程序中很多錯(cuò)誤的原因之一

a^b–-按位異或

這個(gè)運(yùn)算對(duì)一個(gè)位取反有用例如在下面的例子中位7是被翻轉(zhuǎn)的

PORTA^=0x80;//翻轉(zhuǎn)位7

~a–-按位取反

在表達(dá)式中這個(gè)運(yùn)算執(zhí)行一個(gè)取反當(dāng)用按位與運(yùn)算關(guān)閉某些位時(shí)與這個(gè)運(yùn)算組合使用尤其有用如

PORTA&=~0x80;//關(guān)閉位7

14PORTC

|=（1<<BIT0)|（1<<BIT3);

1<<(BIT0)表示邏輯1左移到PORTC

的Ｄ0位，結(jié)果為0b00000001;1<<(BIT3)表示邏輯1左移PORTC

的Ｄ3位，結(jié)果為0b00001000。0b00000001在同0b00001000相或，結(jié)果為0b00001001。

PORTD^=BIT(PD7)PORTD口的第7位取反/，取反PD0引腳，TCCR0|=(1<<CS01)|(1<<CS00);TCCR0功能寄存器的CS01、CS00位置1。15通用數(shù)字I/O口的設(shè)置與編程1.通用I/O輸出設(shè)計(jì)要點(diǎn)

應(yīng)用I/O口輸出時(shí)，在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)上應(yīng)注意的問(wèn)題有：

輸出電平的轉(zhuǎn)換和匹配。

輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力。

I/O口輸出為“1”時(shí)，可以提供20mA左右的驅(qū)動(dòng)電流。輸出為“0”時(shí)，可以吸收20mA左右的灌電流（最大為40mA）。輸出電平轉(zhuǎn)換的延時(shí)。應(yīng)用舉例:LED發(fā)光二極管的控制設(shè)計(jì)一個(gè)帶有一排8個(gè)發(fā)光二極管的簡(jiǎn)易彩燈控制系統(tǒng)16硬件電路設(shè)計(jì)

當(dāng)電壓U1大于U2約1V以上時(shí)，二極管導(dǎo)通發(fā)光。當(dāng)導(dǎo)通電流大于5mA時(shí)，人的眼睛就可以明顯地觀察到二極管的發(fā)光，導(dǎo)通電流越大，亮度越高。

AVR的I/O口輸出“0”時(shí)，可以吸收最大40mA的電流，因此采用控制發(fā)光二極管負(fù)極的設(shè)計(jì)比較好。17#include<mega16.h>#include<delay.h>voidmain(void){unsignedcharposition=0; //position為控制位的位置PORTA=0xFF; //PA口輸出全1，LED全滅DDRA=0xFF; //PA口工作為輸出方式while(1){ PORTA=~(1<<position); if(++position>=8)position=0; delay_ms(1000);}}18應(yīng)用舉例:繼電器控制控制恒溫箱的加熱的硬件電路設(shè)計(jì)

恒溫箱的加熱源采用500W電爐，電爐的工作電壓220v，電流2.3A。選用HG4200繼電器，開(kāi)關(guān)負(fù)載能力為5A/AC220V，繼電器吸合線圈的工作電壓5v，功耗0.36W，計(jì)算得吸合電流為0.36/5=72mA。因此，要能使繼電器穩(wěn)定的吸合，驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)該大于80mA。該電流已經(jīng)超出AVR本身I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，因此外部需要使用功率驅(qū)動(dòng)元件。I/O引腳輸出“1”時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，電爐開(kāi)始加熱。I/O引腳輸出“0”時(shí)，三極管截止，繼電器釋放，加熱停止。19PORTC

|=(1<<

PORTC0）//PORTC位置1。繼電器吸合，電爐開(kāi)始加熱。PORTC&

=~(1<<

PORTC0）PORTC&

=

~0x80//PORTC位置0。繼電器釋放，加熱停止。

20應(yīng)用舉例:步進(jìn)電機(jī)控制21硬件電路22程序#include<mega16.h>#include<delay.h>Flashunsignedcharstep[6]={0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x05};voidmain(void){chari=0; intdelay=500;PORTA=0x00;DDRA=0x07; //PA口工作為輸出方式

while(1){ PORTA=step[i]; // if(++i>=6)i=0; delay_ms(delay);};}23AVRI/O端口應(yīng)用實(shí)例－7段LED顯示器

在單片機(jī)系統(tǒng)中,常用的顯示器有:○發(fā)光二極管顯示器,簡(jiǎn)稱(chēng)LED(LightEmittingDiode);○液晶顯示器,簡(jiǎn)稱(chēng)LCD(LiquidCrystalDisplay);○熒光管顯示器，簡(jiǎn)稱(chēng)CRT。近年來(lái)也開(kāi)始使用簡(jiǎn)易的CRT接口,顯示一些漢字及圖形。24LED顯示器

◎前二種顯示器都有兩種顯示結(jié)構(gòu):段顯示(7段,“米”字型等)和點(diǎn)陣顯示(5×7,5×8,8×8點(diǎn)陣等)。而發(fā)光二極管顯示又分為固定段顯示和可以拼裝的大型字段顯示,此外還有共陽(yáng)極和陰極之分等?！蛉N顯示器中,以熒光管顯示器亮度最高,發(fā)光二極管次之,而液晶顯示器最弱,為被動(dòng)顯示器,必須有外光源。◎限于篇幅,我們介紹7段LED顯示器。25一、LED段顯示器結(jié)構(gòu)與原理

LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的價(jià)廉輸出設(shè)備。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的,當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí),相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫(huà)發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通,就能顯示出各種字符。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的稱(chēng)為共陽(yáng)極顯示器,陰極連在一起的稱(chēng)為共陰極顯示器。26一、LED段顯示器結(jié)構(gòu)與原理

○對(duì)于共陰極LED,欲點(diǎn)亮的段在字節(jié)中所處的位為“1”,○對(duì)于共陽(yáng)極LED,欲點(diǎn)亮的段在字節(jié)中所處的位為“0”,○例如:顯示字符5,共陰極字型碼為01101101B(6DH),共陽(yáng)極字型碼為10010010B(92H)。

27LED共陰/共陽(yáng)段選編碼表

顯示字符共陰極字型碼共陽(yáng)極字型碼顯示字符共陰極字型碼共陽(yáng)極字型碼0

3FH

C0H

c

39HC6H

1

06H

F9HD

5EHA1H

2

5BH

A4HE

79H86H

3

4FH

B0H

F

71H8EH

4

66H

99H

P

73H8CH

5

6DH

92HU

3EHC1H

6

7DH

82H

I

31HCEH

7

07H

F8H

Y

6EH91H

87FH

80HH

76H89H9

6FH

90H

L

38HC7H

A

77H

88H

“滅”

00HFFH

b

7CH

83H

28二、

LED顯示器顯示方式

LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式，分述如下：１.LED靜態(tài)顯示方式所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，例如七段顯示器的a,b,c,d,e,f導(dǎo)通，g截止，顯示0。這種顯示方式每一位都需要有一個(gè)８位輸出口控制。29

多位顯示器的接口邏輯。如圖所示

◎優(yōu)點(diǎn)：編程容易，管理簡(jiǎn)單，亮度較高，◎缺點(diǎn)：占用口線資源較多。

1、LED靜態(tài)顯示方式30２.LED動(dòng)態(tài)顯示方式

※動(dòng)態(tài)顯示—就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位（掃描），對(duì)于顯示器的每一位來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次?！痫@示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。

31

※多位７段LED動(dòng)態(tài)顯示器電路在多位LED顯示時(shí),為了簡(jiǎn)化硬件電路,通常將所在位段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起,由一個(gè)(7段LED)8位I/O口控制,形成段線的多路復(fù)用。而各位的共陽(yáng)極或共陰極分別由相應(yīng)的I/O口線控制,實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。

２.LED動(dòng)態(tài)顯示方式32

２.LED動(dòng)態(tài)顯示方式

掃描顯示方式,即在某一時(shí)刻,只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài),而其它各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài),同時(shí),段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的字型碼,這樣同一時(shí)刻,6位LED中只有選通的那一位顯示出字符,而其它三位則是熄滅的。由于人眼有視覺(jué)暫留現(xiàn)象,只要每位顯示間隔足夠短,則可造成多位同時(shí)亮的假象,達(dá)到顯示的目的。33LED顯示器接口技術(shù)

※要使LED顯示器顯示出字符，必須提供段選碼和位選碼?！蚨芜x碼（即字碼）可以用硬件譯碼的方法獲得，也可以用軟件的方法獲得?！蛭贿x碼靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。下面介紹軟件譯碼顯示器接口方法。34一、靜態(tài)顯示接口35一、靜態(tài)顯示接口

1．靜態(tài)顯示器硬件電路是一個(gè)采用串行傳送數(shù)據(jù)的8位數(shù)碼管靜態(tài)顯示接口。設(shè)計(jì)中將8片八位串行輸入/并行輸出移位寄存器74HC164串接，數(shù)碼管為共陽(yáng)極型。

MCU將8個(gè)要顯示字符的段碼字準(zhǔn)備好，通過(guò)DataOut引腳，在ClkOut引腳產(chǎn)生的cp移位脈沖的作用下，一位一位地移入74HC164的QA－QH端（串行輸入）。QA－QH的輸出（并行輸出）直接作為數(shù)碼管的段位控制。由于左邊74HC164芯片的QH（最低位）和右邊74HC164芯片的數(shù)據(jù)串入端連接，經(jīng)過(guò)ClkOut時(shí)鐘線64個(gè)cp脈沖后，要顯示的8個(gè)字符將會(huì)在8個(gè)數(shù)碼管上顯示，最先發(fā)送的顯示字符段碼將顯示在最右邊。

36二、動(dòng)態(tài)顯示接口37二、動(dòng)態(tài)顯示接口在任何一個(gè)時(shí)刻，PC0-PC5中只能有一個(gè)I/O口輸出低電平，即只有一位數(shù)碼管亮。MCU必須循環(huán)輪流控制PC0-PC5中的一位輸出“0”，同時(shí)PA口要輸出該位相應(yīng)的段碼值。即使顯示的內(nèi)容沒(méi)有變化，MCU也要進(jìn)行不停的循環(huán)掃描處理。38二、動(dòng)態(tài)顯示接口軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)保證從在外表看數(shù)碼管顯示的效果要連續(xù)（即在人眼里各個(gè)數(shù)碼管全部亮），亮度均勻，同時(shí)沒(méi)有拖尾現(xiàn)象。為了保證各個(gè)數(shù)碼管的顯示的效果不產(chǎn)生閃爍情況，表象上全部點(diǎn)亮的話，則首先必須在1秒中內(nèi)循環(huán)掃描6個(gè)數(shù)碼管的次數(shù)應(yīng)大于25次，這里是利用了人眼的影像滯留效應(yīng)。本例中我們選擇40次，既每隔1000/40=25ms將6個(gè)數(shù)碼管循環(huán)掃描一遍。第二要考慮的是，在25ms時(shí)間間隔中，要逐一輪流點(diǎn)亮6個(gè)數(shù)碼管，那么每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮的持續(xù)時(shí)間要相同，這樣亮度才能均勻。第三個(gè)要考慮的要點(diǎn)為每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮的持續(xù)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)一些的話，數(shù)碼管的亮度高一些，反之則暗一些。通常，每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮的持續(xù)時(shí)間為1-2ms。我們將每個(gè)數(shù)碼管的點(diǎn)亮持續(xù)時(shí)間定為2ms，那么6個(gè)數(shù)碼管掃描一遍的時(shí)間為12ms，因此MCU還有13ms的時(shí)間處理其它事件39二、動(dòng)態(tài)顯示接口#include<mega16.h>#include<delay.h>charled_7[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};charposition[6]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf};//任何時(shí)刻只有一個(gè)管亮，即只有一個(gè)I/O口輸出為低voiddisplay(void)//掃描顯示函數(shù)，執(zhí)行時(shí)間12ms{chari;for(i=0;i<=5;i++){PORTA=led_7[dis_buff[i]];PORTC=position[i];delay_ms(2);//(2)PORTC=0xff;//(3)}}40voidtime_to_disbuffer(void)//時(shí)間值送顯示緩沖區(qū)函數(shù){unsignedchari,j=0;for(i=0;i<=2;i++) { dis_buff[j++]=time[i]%10; dis_buff[j++]=time[i]/10; }}voidmain(void){PORTA=0x00; //PORTA初始化

DDRA=0xFF;PORTC=0x3F; //PORTC初始化

DDRC=0x3F;time[2]=23;time[1]=58;time[0]=55; //時(shí)間初值23:58:55time_to_disbuffer();41while(1){ display(); //顯示掃描，執(zhí)行時(shí)間12ms if(++time_counter>=40) { time_counter=0; //（4）

point_on=~point_on; //（5）

if(++time[0]>=60) { time[0]=0; if(++time[1]>=60) { time[1]=0; if(++time[2]>=24)time[2]=0; } } time_to_disbuffer(); }delay_ms(13); //延時(shí)13ms，可進(jìn)行其它處理（6）

}}42點(diǎn)陣LED顯示器點(diǎn)陣LED在許多產(chǎn)品中也是經(jīng)常使用的一種外圍設(shè)備，如電梯中的運(yùn)行指示，公交汽車(chē)?yán)锏恼久麖V告顯示，以及大型的電子廣告牌等。這種LED的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)點(diǎn)陣的形式顯示漢字、圖形等。實(shí)際上，PC的顯示屏、手機(jī)顯示屏等，在上面顯示漢字、圖形的原理都是點(diǎn)陣顯示的方法。43點(diǎn)陣LED顯示器8*8點(diǎn)陣LED一般是一個(gè)方型的器件，由8行*8列共64個(gè)LED發(fā)光二極管組成。44點(diǎn)陣LED顯示器8*8點(diǎn)陣LED的顯示控制方式與LED數(shù)碼管的顯示方式類(lèi)似，也是使用動(dòng)態(tài)掃描的工作方式。上箭頭“↑”的碼表45點(diǎn)陣LED顯示器Col+PA口輸出值1(PA7)2(PA6)3(PA5)4(PA4)5(PA3)6(PA2)7(PA1)8(PA0)Row(-)1(PC0)●0x102(PC1)●●●0x383(PC2)●●●●●0x7C4(PC3)●●●●●●●0xFE5(PC4)●●●0x386(PC5)●●●0x387(PC6)●●●0x388(PC7)●●●0x3846點(diǎn)陣LED顯示器flashcharchar_7[8]={0x10,0x38,0x7C,0xFE,0x38,0x38,0x38,0x38};voiddisplay(charrow){chari;for(i=0;i<=7;i++){if(row<=7)PORTA=char_7[row];elsePORTA=0;PORTC=~(