[導讀]嵌入式控制器的輸入端口設計分析
引言
嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序4部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
不管是在科研設備中還是在家用微波爐中，都可以看到嵌入式控制技術(shù)的影子，嵌入式控制技術(shù)已經(jīng)成功的應用在各種領域中，并且越來越廣泛的進入到人們的生活中。
在控制電路的設計中，數(shù)據(jù)的輸入/輸出端口是控制器完成數(shù)據(jù)輸出和接收功能的關(guān)鍵部分，因此這一部分電路設計的好壞關(guān)系到控制器能否正常工作。
1 數(shù)字輸入端口邏輯設計分析
以控制器為中心，按照數(shù)據(jù)的流向分，控制器的端口分為數(shù)字輸入端和數(shù)字輸出端兩種，其中最簡單的一種I/O形式是數(shù)字輸入。下面從最簡單的數(shù)字輸入端設計來討論在輸入端口設計中遇到的實際問題和解決方法。由于控制器的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳數(shù)量少，并且在使用時要分時復用，因此一般控制器和外部設備之間使用緩沖器或鎖存器連接。如圖1所示，緩沖器74HC244放置在處理器和外部器件之間，當處理器要讀取連接在外部接口上的設備信號時，處理器通過READ引腳使74HC244輸出引腳有效。這樣，外部設備數(shù)據(jù)就能夠通過74HC244的A0~A3和B0~B3引腳傳輸?shù)?4HC244的緩沖器中，然后被送到數(shù)據(jù)總線上，微控制器就能夠讀入設備的數(shù)據(jù)了。
圖1
圖1所示的接口方式適合于輸入端少的情況，而對于現(xiàn)在面向便攜式設備的SoC設計，不僅要求性能高、體積小，更要求功耗低。一般而言，SoC的靜態(tài)功耗很小，而對負載電容充放電的動態(tài)功耗很大。如果總線上掛著很多功能設備，那么會導致總線的電容負載很大。如果總線與片外設備聯(lián)系，那么控制器還要驅(qū)動很長的片外連線以及片外設備。如果系統(tǒng)設計有許多數(shù)字輸入端，那么采用74HC244這種輸入方案就會有些問題。這是由于74HC244三態(tài)輸出端的最小電容值為20 pF，比SoC內(nèi)部各節(jié)點的電容負載0.05 pF高出三個量級，過多的74HC244連接會使處理器數(shù)據(jù)總線上的電容負載值比較大，使得數(shù)據(jù)總線無法接收數(shù)據(jù)。
為了減小電容對數(shù)據(jù)輸入的影響，可以對圖1所示的方案改進成如圖2所示的方案，采用數(shù)據(jù)選擇器來替代74HC244，比如用74HC257。74HC257輸出端的最大電容值為15 pF，比74HC244的輸出端電容稍小一些。從圖2中可以看到，采用74HC257可以使控制器的一條數(shù)據(jù)總線連接兩條輸入端，這就相當于一條數(shù)據(jù)總線的輸入電容值只有7.5 pF。當然，也可以采用8選1的數(shù)字邏輯電路，比如74LS138或74HC151，但是它們沒有三態(tài)功能，因此要與74HC244結(jié)合使用，來提供數(shù)字輸入功能。這樣能使處理器每條數(shù)據(jù)總線的輸入電容降為只使用74HC244時的1/8。
圖2
如果系統(tǒng)設計中不需要對多于數(shù)據(jù)總線數(shù)量的數(shù)字輸入端進行同時取樣，以上的74HC244和74HC257方案就完全可以適用。如果在系統(tǒng)設計中，要求必須同時取樣大量的數(shù)字輸入端，就必須在電路設計中使用鎖存器來鎖存數(shù)據(jù)。在電路設計中，經(jīng)常使用的鎖存器是74HC374和74HC574，這兩種鎖存器的功能相當。由于74HC574的輸入引腳和輸出引腳分列在集成塊的兩邊，這樣的排列使制作印刷電路板時的布線比較簡單；另一方面，74HC574的輸出電容值為15 pF，這個值與74HC244的輸出電容值幾乎一樣，因此在設計中一般選用74HC574，電路連接如圖3所示，使用鎖存器可以同時取樣大量的數(shù)據(jù)輸入端。
數(shù)據(jù)選擇器可以降低每條總線的負載電容值，而不能同時取樣數(shù)據(jù)輸入端。使用數(shù)據(jù)鎖存器，會增大數(shù)據(jù)總線的電容負載，這樣就必須在取樣數(shù)據(jù)線的數(shù)量和采用數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)量之間找到一個恰當?shù)狞c。
圖4給出了一個較好的解決方案。在電路中，移位寄存器74HC597被級聯(lián)在一起，并且與控制器的總線相連接， 這樣可以給處理器提供大量的數(shù)字輸入引腳，同時每條總線上的電容負載值又可以達到最小。
74HC597是移位寄存器，它有8個觸發(fā)器與輸入引腳相連，這些觸發(fā)器是邊沿觸發(fā)的輸入鎖存器；同時，74HC597有另外的8個邊沿觸發(fā)的鎖存器串聯(lián)在一起，構(gòu)成移位寄存器。在圖4中，當膠粘邏輯一個上升沿信號給RCLK時，數(shù)據(jù)輸入引腳的信號被同時取樣，接下來處理器通過膠粘邏輯傳送一個信號給SRLOAD，使取樣得到的數(shù)據(jù)從輸入鎖存器移入移位寄存器。在移位寄存器內(nèi)，處理器通過SRCLK使數(shù)據(jù)每一時鐘周期移動一位，數(shù)據(jù)在READ端允許讀出時，由D0引腳送到數(shù)據(jù)總線上。
還可以對這個電路進行簡單變形，將74HC597的QH信號引腳通過一個多路緩沖器連接到每一條數(shù)據(jù)總線上,比如采用74HC244，這樣改進后，減少了處理串行數(shù)據(jù)的時間，并且可以一次讀出。
2 數(shù)據(jù)輸入端口保護設計分析
前面已經(jīng)討論了多種解決微處理器數(shù)據(jù)總線和外部設備接口的方法，下面將從實踐的角度討論避免系統(tǒng)外部干擾的方法。
在電路設計中，使CMOS器件的輸入端懸空是一種不良的設計習慣，因為CMOS器件是電壓控制，而未被連接的輸入端有靠近CMOS門檻電壓輸入的趨勢，使得芯片內(nèi)部的三極管作不必要的開關(guān)動作，這既增加了噪聲干擾，又耗費了系統(tǒng)的功率。一般，使用上拉電阻或下拉電阻，把未被連接的輸入引腳與電源或接地點連接，使它們有一個確定的電壓值。CMOS輸入引腳的最大輸入電流非常小，只有1 μA左右，因此選用1 MΩ作為上拉電阻或下拉電阻。
在許多嵌入式系統(tǒng)中，輸入引腳的有效電壓一般是5 V以上或為負值（對地），在這種情況下，使用幾個電阻就可以防止輸入引腳過壓。如圖5所示，CMOS集成塊內(nèi)部的2個二極管可以把電壓鉗位在CMOS器件輸入電壓值，這2個二極管是高速CMOS器件（74HC系列）靜電保護措施的一部分。
如圖6所示，在輸入端連接2個肖特基二極管，這樣可以更安全的保護輸入端口，但是成本會高一些。前端電壓降到集成塊內(nèi)部2個二極管導通電壓的1/3，內(nèi)部的2個二極管不會導通，電流全部通過前端正向偏壓的肖特基二極管。這種電壓保護電路在有些應用設計中是必須的。在一般設計中，沒有輸入引腳需要這樣的額外保護，因為這樣的外部電壓保護需要使用非常講究的印刷電路板，并且往電路板上安裝這些元件也需要一些制造成本，對于只采用無源元件的設計來說，這個安裝成本是不能忽略的。
圖3
圖4
圖5 圖6
圖7給出了另外一種保護方法，它有兩種作用：一是電容和電阻構(gòu)成一個低通濾波器，用來減小輸入信號的尖脈沖，而低頻信號能夠通過；二是低通濾波器還有靜電保護的功能。
下面討論這種設計，如果是理想電容器，1個0.1 μF的電容串聯(lián)一個22 kΩ電阻就能夠提供靜電保護。但是實際器件是不會工作在理想狀態(tài)下的，在電路中，有等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感存在，如圖8所示。
圖7
圖8
電容生產(chǎn)商通常會給出圖表，用來描述他們生產(chǎn)的電容器的典型ESR（等效串聯(lián)電阻）和ESL（等效串聯(lián)電感），方便設計者建立適當?shù)碾娐纺Ｐ?，分析電路的工作原理。但是建立這樣的模型還是很困難，因為電路模型中有些器件的參數(shù)是不好確定的。解決這一困難的方法只有通過實驗去驗證，這要增加試驗設備的成本。
電路中的防靜電保護裝置還有瞬態(tài)電壓抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor），它是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)kW的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點，已廣泛應用于計算機、數(shù)碼相機等精密電子設備的保護電路中。如圖9所示，是一個在實踐中被很好保護的輸入引腳，其中L1是電感線圈，用來減少射頻干擾。
圖9所示電路對于大多數(shù)設計來說顯得過分復雜，但如果不使用光電隔離器件，對于精密的設計或者條件要求嚴格的設計來說，圖9所示電路是最好的。在這樣的設計中，元件價格和電路板元件位置的排列也是要考慮的要素。
由于在制造金屬膜電阻時，金屬線中插入了一些絕緣層來改變金屬線的幾何結(jié)構(gòu)以達到一個準確的電阻值，而這使得靜電容易從絕緣面滲入金屬層。使用這種類型電阻構(gòu)成的電路有兩種后果：第一，當有靜電電壓時，實際有效電阻值會比其標稱值??；第二，容易形成電離通道，改變電阻的實際值。表面貼片電阻有另外一個問題，那就是當有靜電電壓時，它們與金屬層的焊接點會形成發(fā)熱點，這是由于金屬表面不均勻的電流密度引起的。這樣會造成貼片電阻被靜電電流燒毀，在電路中選用電阻時，普通的炭膜電阻是最好的選擇。
圖9光電隔離器件也可以用于數(shù)字輸入引腳靜電保護和防干擾，它們可以用來隔離幾kV的電壓，而輸入設備必須提供比CMOS門電路需要的電流大1000倍的輸入電流給光電隔離器件。光電隔離器件轉(zhuǎn)換速度比較慢，并且在設計中還要考慮如何保護光電隔離器件中的LED不受靜電的破壞，設計中，要根據(jù)設計的需要進行合適的選擇。
結(jié)語
輸入接口設計是嵌入式控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因為嵌入式控制器外部數(shù)據(jù)的接收，外部設備狀態(tài)的反饋都要通過接口才能交給處理器。設計輸入端口時主要考慮兩個方面的實際情況：一是負載能力，即輸入信號能否被控制器接收，二是靜電的防護，現(xiàn)在很多處理器采用CMOS工藝封裝，這能夠滿足低功耗的要求，同時對靜電防護要求更高。
嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序4部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
不管是在科研設備中還是在家用微波爐中，都可以看到嵌入式控制技術(shù)的影子，嵌入式控制技術(shù)已經(jīng)成功的應用在各種領域中，并且越來越廣泛的進入到人們的生活中。
在控制電路的設計中，數(shù)據(jù)的輸入/輸出端口是控制器完成數(shù)據(jù)輸出和接收功能的關(guān)鍵部分，因此這一部分電路設計的好壞關(guān)系到控制器能否正常工作。
1 數(shù)字輸入端口邏輯設計分析
以控制器為中心，按照數(shù)據(jù)的流向分，控制器的端口分為數(shù)字輸入端和數(shù)字輸出端兩種，其中最簡單的一種I/O形式是數(shù)字輸入。下面從最簡單的數(shù)字輸入端設計來討論在輸入端口設計中遇到的實際問題和解決方法。由于控制器的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳數(shù)量少，并且在使用時要分時復用，因此一般控制器和外部設備之間使用緩沖器或鎖存器連接。如圖1所示，緩沖器74HC244放置在處理器和外部器件之間，當處理器要讀取連接在外部接口上的設備信號時，處理器通過READ引腳使74HC244輸出引腳有效。這樣，外部設備數(shù)據(jù)就能夠通過74HC244的A0~A3和B0~B3引腳傳輸?shù)?4HC244的緩沖器中，然后被送到數(shù)據(jù)總線上，微控制器就能夠讀入設備的數(shù)據(jù)了。
圖1
圖1所示的接口方式適合于輸入端少的情況，而對于現(xiàn)在面向便攜式設備的SoC設計，不僅要求性能高、體積小，更要求功耗低。一般而言，SoC的靜態(tài)功耗很小，而對負載電容充放電的動態(tài)功耗很大。如果總線上掛著很多功能設備，那么會導致總線的電容負載很大。如果總線與片外設備聯(lián)系，那么控制器還要驅(qū)動很長的片外連線以及片外設備。如果系統(tǒng)設計有許多數(shù)字輸入端，那么采用74HC244這種輸入方案就會有些問題。這是由于74HC244三態(tài)輸出端的最小電容值為20 pF，比SoC內(nèi)部各節(jié)點的電容負載0.05 pF高出三個量級，過多的74HC244連接會使處理器數(shù)據(jù)總線上的電容負載值比較大，使得數(shù)據(jù)總線無法接收數(shù)據(jù)。
為了減小電容對數(shù)據(jù)輸入的影響，可以對圖1所示的方案改進成如圖2所示的方案，采用數(shù)據(jù)選擇器來替代74HC244，比如用74HC257。74HC257輸出端的最大電容值為15 pF，比74HC244的輸出端電容稍小一些。從圖2中可以看到，采用74HC257可以使控制器的一條數(shù)據(jù)總線連接兩條輸入端，這就相當于一條數(shù)據(jù)總線的輸入電容值只有7.5 pF。當然，也可以采用8選1的數(shù)字邏輯電路，比如74LS138或74HC151，但是它們沒有三態(tài)功能，因此要與74HC244結(jié)合使用，來提供數(shù)字輸入功能。這樣能使處理器每條數(shù)據(jù)總線的輸入電容降為只使用74HC244時的1/8。
圖2
如果系統(tǒng)設計中不需要對多于數(shù)據(jù)總線數(shù)量的數(shù)字輸入端進行同時取樣，以上的74HC244和74HC257方案就完全可以適用。如果在系統(tǒng)設計中，要求必須同時取樣大量的數(shù)字輸入端，就必須在電路設計中使用鎖存器來鎖存數(shù)據(jù)。在電路設計中，經(jīng)常使用的鎖存器是74HC374和74HC574，這兩種鎖存器的功能相當。由于74HC574的輸入引腳和輸出引腳分列在集成塊的兩邊，這樣的排列使制作印刷電路板時的布線比較簡單；另一方面，74HC574的輸出電容值為15 pF，這個值與74HC244的輸出電容值幾乎一樣，因此在設計中一般選用74HC574，電路連接如圖3所示，使用鎖存器可以同時取樣大量的數(shù)據(jù)輸入端。
數(shù)據(jù)選擇器可以降低每條總線的負載電容值，而不能同時取樣數(shù)據(jù)輸入端。使用數(shù)據(jù)鎖存器，會增大數(shù)據(jù)總線的電容負載，這樣就必須在取樣數(shù)據(jù)線的數(shù)量和采用數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)量之間找到一個恰當?shù)狞c。
圖4給出了一個較好的解決方案。在電路中，移位寄存器74HC597被級聯(lián)在一起，并且與控制器的總線相連接， 這樣可以給處理器提供大量的數(shù)字輸入引腳，同時每條總線上的電容負載值又可以達到最小。
74HC597是移位寄存器，它有8個觸發(fā)器與輸入引腳相連，這些觸發(fā)器是邊沿觸發(fā)的輸入鎖存器；同時，74HC597有另外的8個邊沿觸發(fā)的鎖存器串聯(lián)在一起，構(gòu)成移位寄存器。在圖4中，當膠粘邏輯一個上升沿信號給RCLK時，數(shù)據(jù)輸入引腳的信號被同時取樣，接下來處理器通過膠粘邏輯傳送一個信號給SRLOAD，使取樣得到的數(shù)據(jù)從輸入鎖存器移入移位寄存器。在移位寄存器內(nèi)，處理器通過SRCLK使數(shù)據(jù)每一時鐘周期移動一位，數(shù)據(jù)在READ端允許讀出時，由D0引腳送到數(shù)據(jù)總線上。
還可以對這個電路進行簡單變形，將74HC597的QH信號引腳通過一個多路緩沖器連接到每一條數(shù)據(jù)總線上,比如采用74HC244，這樣改進后，減少了處理串行數(shù)據(jù)的時間，并且可以一次讀出。
2 數(shù)據(jù)輸入端口保護設計分析
前面已經(jīng)討論了多種解決微處理器數(shù)據(jù)總線和外部設備接口的方法，下面將從實踐的角度討論避免系統(tǒng)外部干擾的方法。
在電路設計中，使CMOS器件的輸入端懸空是一種不良的設計習慣，因為CMOS器件是電壓控制，而未被連接的輸入端有靠近CMOS門檻電壓輸入的趨勢，使得芯片內(nèi)部的三極管作不必要的開關(guān)動作，這既增加了噪聲干擾，又耗費了系統(tǒng)的功率。一般，使用上拉電阻或下拉電阻，把未被連接的輸入引腳與電源或接地點連接，使它們有一個確定的電壓值。CMOS輸入引腳的最大輸入電流非常小，只有1 μA左右，因此選用1 MΩ作為上拉電阻或下拉電阻。
在許多嵌入式系統(tǒng)中，輸入引腳的有效電壓一般是5 V以上或為負值（對地），在這種情況下，使用幾個電阻就可以防止輸入引腳過壓。如圖5所示，CMOS集成塊內(nèi)部的2個二極管可以把電壓鉗位在CMOS器件輸入電壓值，這2個二極管是高速CMOS器件（74HC系列）靜電保護措施的一部分。
如圖6所示，在輸入端連接2個肖特基二極管，這樣可以更安全的保護輸入端口，但是成本會高一些。前端電壓降到集成塊內(nèi)部2個二極管導通電壓的1/3，內(nèi)部的2個二極管不會導通，電流全部通過前端正向偏壓的肖特基二極管。這種電壓保護電路在有些應用設計中是必須的。在一般設計中，沒有輸入引腳需要這樣的額外保護，因為這樣的外部電壓保護需要使用非常講究的印刷電路板，并且往電路板上安裝這些元件也需要一些制造成本，對于只采用無源元件的設計來說，這個安裝成本是不能忽略的。
圖3
圖4
圖5 圖6
圖7給出了另外一種保護方法，它有兩種作用：一是電容和電阻構(gòu)成一個低通濾波器，用來減小輸入信號的尖脈沖，而低頻信號能夠通過；二是低通濾波器還有靜電保護的功能。
下面討論這種設計，如果是理想電容器，1個0.1 μF的電容串聯(lián)一個22 kΩ電阻就能夠提供靜電保護。但是實際器件是不會工作在理想狀態(tài)下的，在電路中，有等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感存在，如圖8所示。
圖7
圖8
電容生產(chǎn)商通常會給出圖表，用來描述他們生產(chǎn)的電容器的典型ESR（等效串聯(lián)電阻）和ESL（等效串聯(lián)電感），方便設計者建立適當?shù)碾娐纺Ｐ?，分析電路的工作原理。但是建立這樣的模型還是很困難，因為電路模型中有些器件的參數(shù)是不好確定的。解決這一困難的方法只有通過實驗去驗證，這要增加試驗設備的成本。
電路中的防靜電保護裝置還有瞬態(tài)電壓抑制器TVS（Transient Voltage Suppressor），它是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)kW的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點，已廣泛應用于計算機、數(shù)碼相機等精密電子設備的保護電路中。如圖9所示，是一個在實踐中被很好保護的輸入引腳，其中L1是電感線圈，用來減少射頻干擾。
圖9所示電路對于大多數(shù)設計來說顯得過分復雜，但如果不使用光電隔離器件，對于精密的設計或者條件要求嚴格的設計來說，圖9所示電路是最好的。在這樣的設計中，元件價格和電路板元件位置的排列也是要考慮的要素。
由于在制造金屬膜電阻時，金屬線中插入了一些絕緣層來改變金屬線的幾何結(jié)構(gòu)以達到一個準確的電阻值，而這使得靜電容易從絕緣面滲入金屬層。使用這種類型電阻構(gòu)成的電路有兩種后果：第一，當有靜電電壓時，實際有效電阻值會比其標稱值??；第二，容易形成電離通道，改變電阻的實際值。表面貼片電阻有另外一個問題，那就是當有靜電電壓時，它們與金屬層的焊接點會形成發(fā)熱點，這是由于金屬表面不均勻的電流密度引起的。這樣會造成貼片電阻被靜電電流燒毀，在電路中選用電阻時，普通的炭膜電阻是最好的選擇。
圖9光電隔離器件也可以用于數(shù)字輸入引腳靜電保護和防干擾，它們可以用來隔離幾kV的電壓，而輸入設備必須提供比CMOS門電路需要的電流大1000倍的輸入電流給光電隔離器件。光電隔離器件轉(zhuǎn)換速度比較慢，并且在設計中還要考慮如何保護光電隔離器件中的LED不受靜電的破壞，設計中，要根據(jù)設計的需要進行合適的選擇。
結(jié)語
輸入接口設計是嵌入式控制器系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因為嵌入式控制器外部數(shù)據(jù)的接收，外部設備狀態(tài)的反饋都要通過接口才能交給處理器。設計輸入端口時主要考慮兩個方面的實際情況：一是負載能力，即輸入信號能否被控制器接收，二是靜電的防護，現(xiàn)在很多處理器采用CMOS工藝封裝，這能夠滿足低功耗的要求，同時對靜電防護要求更高。
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