使用引腳復(fù)用減少8位單片機(jī)的引腳使用

本文將介紹兩個(gè)利用通用輸入/輸出（GPIO）引腳復(fù)用來減少項(xiàng)目引腳使用的示例。第一個(gè)示例使用了“查理復(fù)用算法”技術(shù)，第二個(gè)示例使用了定時(shí)外設(shè)和中斷來快速切換引腳輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)，以在驅(qū)動(dòng) LED 的同時(shí)讀取按鍵。

本文將介紹兩個(gè)利用通用輸入/輸出（GPIO）引腳復(fù)用來減少項(xiàng)目引腳使用的示例。第一個(gè)示例使用了“查理復(fù)用算法”技術(shù)，第二個(gè)示例使用了定時(shí)外設(shè)和中斷來快速切換引腳輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)，以在驅(qū)動(dòng) LED 的同時(shí)讀取按鍵。
PIC?和 AVR?單片機(jī)上的引腳復(fù)用
通用輸入/輸出（GPIO）引腳是單片機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的重要考量之一。您需要足夠的引腳將單片機(jī)連接到設(shè)計(jì)中的所有其他組件；但是，超過所需的引腳可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本增加，并且占用電路板上更多空間。此外，減少設(shè)計(jì)中的所需引腳數(shù)量可能就可以選擇另一種不同的封裝。如果有一種方法可以從較小的封裝中擠出更多的 I/O引腳就好了！幸運(yùn)的是，我們確實(shí)有方法可以在這種情況下釋放引腳。
下面是 Microchip 應(yīng)用團(tuán)隊(duì)使用 AVR DD 系列單片機(jī)創(chuàng)建的兩個(gè)示例。首先，我們將探討通過一種稱為“查理復(fù)用算法”的技術(shù)復(fù)用 GPIO 引腳來控制 LED。接下來，我們將看一下如何使用單個(gè)引腳同時(shí)運(yùn)行獨(dú)立的按鍵和 LED。
查理復(fù)用算法的核心思想是利用單片機(jī)引腳可以處于的三種狀態(tài)：數(shù)字高電平、數(shù)字低電平和高阻抗數(shù)字輸入狀態(tài)（也稱為高阻態(tài)或三態(tài)）。通過使用這三種狀態(tài)而不僅僅是典型的高電平和低電平，用戶可以使用 n 個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)最多(n2-n)個(gè)獨(dú)立的LED。在此示例中，三個(gè)指定的引腳可以驅(qū)動(dòng)六個(gè)獨(dú)立的 LED。
那么查理復(fù)用算法的工作原理到底是什么呢？為了理解這一點(diǎn)，我們需要看一個(gè)示例。

這里我們用三個(gè) I/O 引腳驅(qū)動(dòng)六個(gè) LED。
如果我們只想導(dǎo)通 LED1，則需要將 PA2 設(shè)為高電平，PA3 設(shè)為低電平，PA4設(shè)為高阻態(tài)。電流將流過 LED1 并使其導(dǎo)通，同時(shí)使所有其他 LED 保持關(guān)斷狀態(tài)。

這里的三態(tài)十分重要，因?yàn)槿绻?PA4 為“低電平”，它也會(huì)意外導(dǎo)通 LED5。如下面所示：

高阻抗邏輯狀態(tài)確保電流只流過 LED1。利用 I/O 引腳狀態(tài)的相應(yīng)組合（要獲得預(yù)期行為，用戶必須將一個(gè)引腳設(shè)為高電平、一個(gè)引腳設(shè)為低電平，其余引腳設(shè)為高阻抗），可以為電路中的任何 LED 重復(fù)此過程。
雖然在任意給定時(shí)刻這種方法只會(huì)點(diǎn)亮一個(gè) LED，但是快速改變 I/O 狀態(tài)可創(chuàng)造出點(diǎn)亮多個(gè) LED 的錯(cuò)覺。（LED 調(diào)光的工作原理是通過在單個(gè) LED 上使用脈沖寬度調(diào)制，原理與此非常相似）?？梢栽谙旅婵吹剑?點(diǎn)擊圖片查看動(dòng)態(tài)效果）

第二個(gè)示例涉及到在單個(gè)引腳上改動(dòng)一個(gè) LED 和一個(gè)按鍵。
從有利的角度看，可利用中斷和定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)此目的。單片機(jī)引腳大部分時(shí)間都在驅(qū)動(dòng) LED。然而，一個(gè)定時(shí)外設(shè)會(huì)定期在單片機(jī)內(nèi)部觸發(fā)中斷，將引腳從輸出快速切換為輸入，然后檢查按鍵的狀態(tài)。雖然這會(huì)暫時(shí)停止驅(qū)動(dòng) LED，但如果這個(gè)過程可以做得足夠快，那么在檢查按鈕狀態(tài)的時(shí)候，對(duì) LED 造成的影響幾乎不可見。
我們?cè)谙旅娴氖纠惺褂昧诉@種方法。單片機(jī)不停地驅(qū)動(dòng)一個(gè)閃爍的 LED，同時(shí)定期檢查按鍵，如果按鍵被按下，就會(huì)點(diǎn)亮一個(gè)單獨(dú)的 LED。（點(diǎn)擊圖片查看動(dòng)態(tài)效果）

盡管本文章只涵蓋了這兩種技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，但我們的 Microchip 應(yīng)用團(tuán)隊(duì)發(fā)布的相應(yīng) GitHub 頁面包含了圖表、示例代碼和更詳細(xì)的說明。請(qǐng)?jiān)L問該頁面或我們的 AVR DD 產(chǎn)品系列頁面來了解更多信息。

（作者：Nate Thompson 和 Alexandru Sabiuta）