[资料分享] 说一下单片机IO扩展的一些问题

Jacktang 2019-10-11 14:49 楼主

学单片机的小伙伴们都知道，单片机的IO口数量都是固定的，在做项目的时候，需要根据自己实际用到的IO数量，再综合考虑一下单片机自带的硬件资源，我们会选择不同封装的单片机。然而，当所需要用到的IO口数量大于该品牌单片机最大IO口数量的又怎么办呢？也许有人会说，换别的品牌的单片机不就好了，比如，总所周知，STC单片机最大的封装是64脚的，出去两个电源引脚，最大IO口数量可以达到62个，然而，假如我在一个项目中要用到80个IO口怎么办？直接上STM32啊！没错，确实可以用STM32来做，但是，并不是所有会用51单片机的人都能轻轻松松上手STM32来做项目，比如像笔者这样的，用惯了STC的单片机，如果突然让我用STM32来替代STC单片机的位置，还是需要花不少时间来研究。

基于上述原因，很多人自然会想到了IO口扩展！当然，IO扩展有很多种方式，比如，用74系列的74HC138（三八译码器），只需要3个IO口就可以扩展成8个输入口：

另外，74HC595、74HC164同样也可以用少量IO口扩展成更多的IO口，而且支持级联，也是一种不错的选择：

当然，也有并联扩展方案，比如，用74HC244和74HC273，共用8位数据口，通过在不同时刻控制每个芯片的使能端，便可以获得当前输入口状态或控制当前输出：

笔者曾经初学的时候，就用了74HC138+74HC244+74HC273的方案做了一款板子，虽然说使用上没多大问题，但是，在布线的时候，还是感觉到了这种方案的不足之处：

由于笔者比较懒，而且项目中对于这种IO扩展确实用到的比较少，所以也没有进一步去研究，直到前段时间，笔者的一位朋友跟我提出了一个需求，就是想用51单片机做个板子，尽可能多的扩展IO，因为他想用这个板子在做多机通信，既能做从机又能做主机，而主机上用到的按钮和指示灯比较多，所以可能需要总共一百多个输入输出。笔者刚开始的时候，有两种方案，一是用曾经做过的板子，稍加改动一下来做，例程也有现成的，程序写起来也简单；二是直接用STM32来做。第一种方案的话，要说可行的确实也能用，但是总感觉不是很理想。对于第二种方案，笔者也是可以上手STM32的，选个100脚，甚至144脚、176脚的单片机，做一些IO控制、串口通信问题不大。但是，前提是，我那朋友用51单片机都有点吃力，更别说让他用STM32单片机了，而且，我虽然对STM32的使用没多大问题，但是，真正遇到问题的时候，未免能给他指点太多。思前想后，还是决定再找找看有没有其他的方案！

终于，在某宝上突然看到了两款分别以MCP23017（IIC接口）和MCP23S17（SPI接口）芯片为控制芯片的扩展板。然后仔细查看了一下这两款芯片的资料，大致如下：

从上面的资料我们可以知道，IIC接口的MCP23017只需要两个IO口，便可以实现最多16*8=128个IO口的扩展，其中，16为每个芯片的最大IO口，8为最大地址数量，因为只有3个地址控制位，所以最大只能设置8个地址。另外，由于MCP23017芯片IO口的模式可以任意设置为输入或输出模式，所以，我们可以在这扩展的最大的128个IO口中，任意搭配出不同的输入口和输出口，再加上51单片机本身的五六十个输入口，那么通过这种扩展方案，可以让控制板最多拥有180多个输入输出口。SPI接口的MCP23S17芯片也是类似的效果，只是多占用单片机本身1个IO口而已。