什么是IO
各種IO輸出的類型及如何區(qū)分,I/O輸入/輸出(Input/Output),分為IO設(shè)備和IO接口兩個(gè)部分。
在POSIX兼容的系統(tǒng)上,例如Linux系統(tǒng),I/O操作可以有多種方式,比如DIO(Direct I/O),AIO(Asynchronous,I/O 異步I/O),Memory-Mapped I/O(內(nèi)存映設(shè)I/O)等,不同的I/O方式有不同的實(shí)現(xiàn)方式和性能,在不同的應(yīng)用中可以按情況選擇不同的I/O方式。
輸入輸出I/O流可以看成對字節(jié)或者包裝后的字節(jié)的讀取就是拿出來放進(jìn)去雙路切換;實(shí)現(xiàn)聯(lián)動控制系統(tǒng)的弱電線路與被控設(shè)備的強(qiáng)電線路之間的轉(zhuǎn)接、隔離,以防止強(qiáng)電竄入系統(tǒng),保障系統(tǒng)的安全;與專線控制盤連接,用于控制重要消防設(shè)備(如消防泵、噴淋泵、風(fēng)機(jī)等),一只模塊可控制一臺大型消防設(shè)備的啟、??刂疲?/div>
插拔式結(jié)構(gòu),可像安裝探測器一樣先將底座安裝在墻上,布線后工程調(diào)試前再將切換模塊插入底座。易于施工、維護(hù);通過無源動合接點(diǎn)或切換AC220V電壓作為回答信號。確認(rèn)燈動作燈—紅色,回答燈—綠色;動作時(shí),動作燈常亮、回答燈常亮。
各種IO輸出的類型-集電極開路(OC)
集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示,右邊的那個(gè)三極管集電極什么都不接,所以叫做集電極開路;左邊的三極管為反相之用,使輸入為“0”時(shí),輸出也為“0”。對于圖 1,當(dāng)左端的輸入為“0”時(shí),前面的三極管截止,所以5v電源通過1k電阻加到右邊的三極管上,右邊的三極管導(dǎo)通;當(dāng)左端的輸入為“1”時(shí),前面的三極管導(dǎo)通,而后面的三極管截止。
我們將圖1簡化成圖2的樣子,很明顯可以看出,當(dāng)開關(guān)閉合時(shí),輸出直接接地,所以輸出電平為0。而當(dāng)開關(guān)斷開時(shí),則輸出端懸空了,即高阻態(tài)。這時(shí)電平狀態(tài)未知,如果后面一個(gè)電阻負(fù)載到地,那么輸出端的電平就被這個(gè)負(fù)載拉到低電平了,所以這個(gè)電路是不能輸出高電平的。
圖3中那個(gè)1k的電阻即是上拉電阻。如果開關(guān)閉合,則有電流從1k電阻及開關(guān)上流過,但由于開關(guān)閉和時(shí)電阻為0(方便我們的討論,實(shí)際情況中開關(guān)電阻不為0,另外對于三極管還存在飽和壓降),所以在開關(guān)上的電壓為0,即輸出電平為0。如果開關(guān)斷開,則由于開關(guān)電阻為無窮大(同上,不考慮實(shí)際中的漏電流),所以流過的電流為0,因此在1k電阻上的壓降也為0,所以輸出端的電壓就是5v了,這樣就能輸出高電平了。
但是這個(gè)輸出的內(nèi)阻是比較大的 —— 即1k,如果接一個(gè)電阻為r的負(fù)載,通過分壓計(jì)算,就可以算得最后的輸出電壓為5*r/(r+1000)伏,所以,如果要達(dá)到一定的電壓的話,r就不能太小。如果r真的太小,而導(dǎo)致輸出電壓不夠的話,那我們只有通過減小那個(gè)1k的上拉電阻來增加驅(qū)動能力。
但是,上拉電阻又不能取得太小,因?yàn)楫?dāng)開關(guān)閉合時(shí),將產(chǎn)生電流,由于開關(guān)能流過的電流是有限的,因此限制了上拉電阻的取值。另外還需要考慮到,當(dāng)輸出低電平時(shí),負(fù)載可能還會給提供一部分電流從開關(guān)流過,因此要綜合這些電流考慮來選擇合適的上拉電阻。
如果我們將一個(gè)讀數(shù)據(jù)用的輸入端接在輸出端,這樣就是一個(gè)IO口了,51的IO口就是這樣的結(jié)構(gòu),其中P0口內(nèi)部不帶上拉,而其它三個(gè)口帶內(nèi)部上拉。當(dāng)我們要使用輸入功能時(shí),只要將輸出口設(shè)置為1即可,這樣就相當(dāng)于那個(gè)開關(guān)斷開,而對于P0口來說,就是高阻態(tài)了。
各種IO輸出的類型-漏極開路(OD)
對于漏極開路(OD)輸出,跟集電極開路輸出是十分類似的。將上面的三極管換成場效應(yīng)管即可。這樣集電極就變成了漏極,OC就變成了OD,原理分析是一樣的。OC門主要用于3個(gè)方面:實(shí)現(xiàn)與或非邏輯,用做電平轉(zhuǎn)換,用做驅(qū)動器。
開漏形式的電路有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1、利用外部電路的驅(qū)動能力,減少IC內(nèi)部的驅(qū)動,或驅(qū)動比芯片電源電壓高的負(fù)載。
2、可以將多個(gè)開漏輸出的Pin,連接到一條線上。通過一只上拉電阻,在不增加任何器件的情況下,形成“與邏輯”關(guān)系。這也是I2C,SMBus等總線判斷總線占用狀態(tài)的原理。
3、由于漏級開路,所以后級電路必須接一上拉電阻,上拉電阻的電源電壓就可以決定輸出電平。這樣就可以進(jìn)行任意電平的轉(zhuǎn)換了。
4、源極開路提供了靈活的輸出方式,但是也有其弱點(diǎn),就是帶來上升沿的延時(shí)。因?yàn)樯仙厥峭ㄟ^外接上拉無源電阻對負(fù)載充電,所以當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)就小,但功耗大;反之延時(shí)大功耗小。所以如果對延時(shí)有要求,則建議用下降沿輸出。
各種IO輸出的類型-推挽輸出
另一種輸出結(jié)構(gòu)是推挽輸出。推挽輸出的結(jié)構(gòu)就是把上面的上拉電阻也換成一個(gè)開關(guān),當(dāng)要輸出高電平時(shí),上面的開關(guān)通,下面的開關(guān)斷;而要輸出低電平時(shí),則剛好相反。
比起OC或者OD來說,這樣的推挽結(jié)構(gòu)高、低電平驅(qū)動能力都很強(qiáng)。如果兩個(gè)輸出不同電平的輸出口接在一起的話,就會產(chǎn)生很大的電流,有可能將輸出口燒壞。而上面說的OC或OD輸出則不會有這樣的情況,因?yàn)樯侠娮杼峁┑碾娏鞅容^小。如果是推挽輸出的要設(shè)置為高阻態(tài)時(shí),則兩個(gè)開關(guān)必須同時(shí)斷開(或者在輸出口上使用一個(gè)傳輸門),這樣可作為輸入狀態(tài),AVR單片機(jī)的一些IO口就是這種結(jié)構(gòu)。
各種IO輸出的類型-驅(qū)動電路的兩種形式
單片機(jī)內(nèi)部的邏輯經(jīng)過內(nèi)部的邏輯運(yùn)算后需要輸出到外面,外面的器件可能需要較大的電流才能推動,因此在單片機(jī)的輸出端口必須有一個(gè)驅(qū)動電路。
1、采用一只N型三極管
其中的一種是采用一只N型三極管 —— NPN或N溝道,以NPN三極管為例,就是e接地,b接內(nèi)部的邏輯運(yùn)算,c引出。b受內(nèi)部驅(qū)動可以控制三極管是否導(dǎo)通,但如果三極管的c極一直懸空,盡管b極上發(fā)生高低變化,c極上也不會有高低變化,因此在這種條件下必須在外部提供一個(gè)電阻,電阻的一端接c(引出腳)另一端接電源,這樣當(dāng)三極管的b有高電壓是三極管導(dǎo)通,c電壓為低,當(dāng)b為低電壓時(shí)三極管不通,c極在電阻的拉動下為高電壓。
這種驅(qū)動電路有個(gè)特點(diǎn):低電壓是三極管驅(qū)動的,高電壓是電阻驅(qū)動的——上下不對稱,三極管導(dǎo)通時(shí)的ec內(nèi)阻很小,因此可以提供很大的電流,可以直接驅(qū)動led甚至繼電器,但電阻的驅(qū)動是有限的,最大高電平輸出電流=(VCC-Vh)/r。
2、采用兩只晶體管
另一種是互補(bǔ)推挽輸出,采用兩只晶體管,一只在上一只在下,上面的一只是n型,下面為p型(以三極管為例),兩只管子的連接為:NPN(上)的c連VCC,PNP(下)的c接地,兩只管子的ee,bb相連,其中ee作為輸出(引出腳),bb接內(nèi)部邏輯。這個(gè)電路通常用于功率放大點(diǎn)路的末級(音響),當(dāng)bb接高電壓時(shí)NPN管導(dǎo)通輸出高電壓,由于三極管的ec電阻很小,因此輸出的高電壓有很強(qiáng)的驅(qū)動能力,當(dāng)bb接低電壓時(shí)NPN截至,PNP導(dǎo)通,由于三極管的ec電阻很小因此輸出的低電壓有很強(qiáng)的驅(qū)動能力。
簡單的例子,9013導(dǎo)通時(shí)ec電阻不到10歐,以Vh=2.5v,VCC=5v計(jì)算,高電平輸出電流最大=250MA,短路電流500ma,這個(gè)計(jì)算同時(shí)告訴我們采用推挽輸出時(shí)一定要小心千萬不要出現(xiàn)外部電路短路的可能,否則肯定燒毀芯片,特別是外部驅(qū)動三極管時(shí)別忘了在三極管的基極加限流電阻。推挽輸出電路的形式很多,有些單片機(jī)上下都采用n型管,但內(nèi)部邏輯提供互補(bǔ)輸出,以上的說明僅僅為了說明推挽的原理,為了更深的理解可以參考功率放大電路。
各種IO輸出的類型-上拉電阻和弱上拉
上拉電阻很大,提供的驅(qū)動電流很小叫弱上拉,反之叫強(qiáng)上拉。
1、為什么要使用拉電阻
上拉就是將不確定的信號通過一個(gè)電阻嵌位在高電平,電阻同時(shí)起限流作用,下拉同理。上拉是對器件注入電流,下拉是輸出電流,弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同,沒有什么嚴(yán)格區(qū)分。
對于非OC、OD輸出型電路提升電流和電壓的能力是有限的,上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。
2、上拉電阻的主要應(yīng)用
(1)當(dāng)TTL電路驅(qū)動COMS電路時(shí),如果TTL電路輸出的高電平低于COMS電路的最低高電平(一般為3.5V),這時(shí)就需要在TTL的輸出端接上拉電阻,以提高輸出高電平的值。
(2)OC門電路要輸出“1”時(shí)需要加上拉電阻,不加根本就沒有高電平。
(3)為加大輸出引腳的驅(qū)動能力,有的單片機(jī)管腳上也常使用上拉電阻,但在用OC門作驅(qū)動(例如:控制一個(gè) LED)灌電流工作時(shí)就可以不加上拉電阻。
(4)在COMS芯片上,為了防止靜電造成損壞,不用的管腳不能懸空,一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗,提供泄荷通路。
(5)提高總線的抗電磁干擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。
(6)長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾,加上下拉電阻是電阻匹配,有效的抑制反射波干擾。
3、上拉電阻阻值的選擇原則包括
(1)從節(jié)約功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大;電阻大,電流小。
(2)從確保足夠的驅(qū)動電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小;電阻小,電流大。
(3)對于高速電路,過大的上拉電阻可能邊沿變平緩。
綜合考慮以上三點(diǎn),通常在1k到10k之間選取。對下拉電阻也有類似道理。
各種IO輸出的類型-三態(tài)門
高阻態(tài)時(shí)引腳對地電阻無窮,此時(shí)讀引腳電平時(shí)可以讀到真實(shí)的電平值。高阻態(tài)的重要作用就是I/O(輸入/輸出)口在輸入時(shí)讀入外部電平用。一般門與其它電路的連接,無非是兩種狀態(tài),1或者0,在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中,為了能在一條傳輸線上傳送不同部件的信號,研制了相應(yīng)的邏輯器件稱為三態(tài)門。
三態(tài)門,除了有這兩種狀態(tài)以外還有一個(gè)高阻態(tài),就是高阻抗(電阻很大,相當(dāng)于開路)。相當(dāng)于該門與和它連接的電路處于斷開的狀態(tài)。三態(tài)門是一種擴(kuò)展邏輯功能的輸出級,也是一種控制開關(guān)。
主要是用于總線的連接,因?yàn)榭偩€只允許同時(shí)只有一個(gè)使用者。通常在數(shù)據(jù)總線上接有多個(gè)器件,每個(gè)器件通過OE/CE之類的信號選通。如器件沒有選通的話它就處于高阻態(tài),相當(dāng)于沒有接在總線上,不影響其它器件的工作。
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