Version vom 11. Januar 2006, 10:01 Uhr

Bietet ein Controller nicht genügend I/O-Leitungen, dann kann man Portexpander werwenden. Dadurch hat man zusätzliche Ports zur Verfügung. Neben Portexpandern der I²C-Klasse oder SPI-Klasse bietet sich an, 8-Bit-Schieberegister zu kaskadieren und als Expander zu verwenden. Das ist oft ausreichend, weil mehr Ausgänge begraucht werden als Eingänge. Dabei verwendet man Schieberegister mit Ausgangs-Latch, d.h. die Daten werden erst dann an die Ausgänge geschaltet, wenn sie an Ort und Stelle sind.

Falls man Eingänge benötigt, können auch Schieberegister mit Input-Latches ankaskadiert werden, welche die Eingänge von parallel nach seriell umsetzen (in diesem Artikel nicht näher beschrieben).

Pro & Contra

Vorteile

• schnell
• preiswert
• einfach anzusteuern (auch ohne Hardware-Unterstützung)
• Ansteuerung ohne Interrupt-Programmierung
• modular aufgebaut und erweiterbar
• alle Ports können gleichzeitig geschaltet werden, auch 100 Stück
• SPI-Interface und ISP-Pins (die oft ungenutzt bleiben) können verwendet werden
• Bus hat nur 3 Leitungen, dadurch kein kompliziertes Layout mit vielen Leitungen

Nachteile

• bei dieser Version nur Ausgabe möglich
• soll ein Ausgangs-Port geändert werden müssen alle Daten neu gesendet werden
• bei der Variante mit SPI-Hardware liegt MISO brach bzw ist nicht so einfach nutzbar zu machen

Resourcen

Mit einer CPU-Frequenz von 16MHz hat man also mit der Hardware-Variante einen maximalen Durchsatz von ca. 590 kByte/Sekunde, und 160kByte/Sekunde mit der reinen Software-Variante.

Kleinkram:

• evtl. Pullup/Pulldown-Widerstand: 20kΩ
• Widerstände zum Entkoppeln vom ISP: einige kΩ
• evtl. Kondensatoren von 100pF zum Entstören der Dateinleitungen
• Strom für die Versorgung im Bereich von µA bis wenige mA (je nach Expander-Typ, Anzahl und Frequenz)

Schaltplan

Anschlussplan

Das umstrichelte Modul

kann einfach so oft nach rechts wiederholt werden bis man so viele Ausgänge hat wie gewünscht.

R1

ist ein Pullup-Widerstand, der während des ISP-Programmierens dafür sorgt, daß RCK nicht floatet, denn während der Programmierung sind die AVR I/O-Leitungen hochohmig. Dadurch bleiben die Ausgänge der Expander stabil (MOSI und SCK wackeln natürlich beim Programmierern).

R2, R3

entkoppeln den ISP-Adapter. Ansonsten stören sie nicht weiter, denn beim Proggen muss praktisch kein Strom fliessen – abgesehen vom minimalen Leckstrom der Ports und Füllen der Portkapazität von ein paar pF.

Eingang G (Pin13)

ist hier auf LOW verdrahtet. Falls gewünscht, kann er verwendet werden, um die Ausgänge der Expander hochohmig zu schalten (high-Z). Dann braucht man natürlich einen weiteren µC-Port, um das zu tun.

C-Code

Der folgende C-Code ist Pseudocode, was Setzen der Ports angeht. Die entsprechenden Befehle sind durch die richtigen C-Befehle für diese Ports zu ersetzen.

MAKE_OUT (X)

Schaltet X als Ausgang (DDR-Register)

SET (X)

Setzt Ausgang X auf HIGH (PORT-Register)

CLR (X)

Setzt Ausgang X auf LOW (PORT-Register)

Makros, Datenstrukturen, Funktionen

#define SERPA_SIZE

Define für Anzahl der auszugebenden Bytes

extern unsigned char serpa[SERPA_SIZE]

Das Array, dessen Bytes ausgegeben werden. serpa[0] landet in dem Portexpander-IC, das direkt am Controller sitzt. Bit0 erscheint jeweils an Ausgang QA, Bit7 erscheint am Ausgang QH, etc.

void serpa_init()

Initialisiert die Schnittstelle bzw. die verwendeten Ports

void serpa_out()

Gibt die SERPA_SIZE Bytes aus dem Array serpa aus.

serpa.h

/* SERiell nach PArallel (serpa) im SPI-Protokoll */
#ifndef _SERPA_H_
#define _SERPA_H_

/* 4 Bytes (32 Ports) */
#define SERPA_SIZE 4

extern unsigned char serpa[];
extern void serpa_out();
extern void serpa_init();

#endif /* _SERPA_H_ */

Mit SPI-Hardware

Das Senden erfolgt ohne den SPI-Interrupt zu nutzen. Allein der ISR-Prolog/Epilog dauert schon so lange wie ein Schleifendurchlauf.

serpa.c

// SERiell nach PArallel (serpa) mit Hardware-Unterstützung
#include <avr/io.h>
#include "serpa.h"

// Array für die Daten
unsigned char serpa[SERPA_SIZE];

void serpa_init()
{
   MAKE_OUT (PORT_MOSI); 
   MAKE_OUT (PORT_SCK);
   MAKE_OUT (PORT_RCK); SET (PORT_RCK);

   // !!! SS muss OUT sein, damit SPI nicht in Slave-Mode wechselt !!!
   // entfällt, falls PORT_RCK = PORT_SS  
   MAKE_OUT (PORT_SS);

   // SPI als Master
   // High-Bits zuerst
   // SCK ist HIGH wenn inaktiv
   SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << CPOL);
	
   // pullup an MISO vermeidet Floaten
   SET (PORT_MISO);

   // maximale Geschwindigkeit: F_CPU / 2	 
   SPSR |= (1 << SPI2X);
}

void serpa_out ()
{
   unsigned char anz = SERPA_SIZE;
   unsigned char* serp = serpa+SERPA_SIZE;

   do
   {
      unsigned char data = *--serp;

      // SPDR schreiben startet Übertragung
      SPDR = data;

      // warten auf Ende der Übertragung für dieses Byte
      while (!(SPSR & (1 << SPIF)));

      // clear SPIF	
      data = SPDR;
   }
   while (--anz > 0);

   // Strobe an RCK bringt die Daten von den Schieberegistern in die Latches
   CLR (PORT_RCK);
   SET (PORT_RCK);
}

Ohne SPI-Hardware

Dieser Code funktioniert auch für jeden anderen µC-Typ, der mindestend 3 digitale I/O-AUsgangsports hat, und mit einem Compiler für Standard-C übersetzt wird.

serpa.c

/* SERiell nach PArallel (serpa) via Software */
#include "serpa.h"

/* Array für die Daten */
unsigned char serpa[SERPA_SIZE];

void serpa_init ()
{
    /* Verwendete Ports auf OUT */
    MAKE_OUT (PORT_SER);
    MAKE_OUT (PORT_SCK);
    MAKE_OUT (PORT_RCK);

    /* SCR und RCK auf definierten Level HIGH */
    SET (PORT_SCK);
    SET (PORT_RCK);
}

void serpa_out ()
{
    unsigned char anz = SERPA_SIZE;
    unsigned char* serp = serpa+SERPA_SIZE;

    do
    {
        unsigned char bits;
        unsigned char data = *--serp;

        /* 8 Bits pro Byte rausschieben */
        for (bits = 8; bits > 0; bits--)
        {
            CLR (PORT_SER);
            if (data & 0x80)
            {
                SET (PORT_SER);
            }

            data <<= 1;
            /* Strobe an SCK schiebt Daten im Gänsemarsch      */
            /* um 1 Position weiter durch alle Schieberegister */
            CLR (PORT_SCK);
            SET (PORT_SCK);
        }
    }
    while (--anz > 0);

    /* Strobe an RCK bringt die Daten von den Schieberegistern in die Latches */
    CLR (PORT_RCK);
    SET (PORT_RCK);
}

Expander

Von den meisten Expandern gibt es auch Unterversionen, wie 74HC (Highspeed CMOS), 74HTC (Highspeed CMOS, TTL-Compatible), etc. Hier tut's z.B. 74HC. Pro Expander fallen Kosten von ca 30-40 Cent an (Reichelt). Ungelatchte Register wie 74*164 sind übrigens nicht zu empfehlen, weil bei deren Verwendung wäherend des Schiebens die Ausgänge flattern.

Die Verwendete SPI-Frequenz ist unkritisch und kann natürlich auch langsamer eingestellt werden. Taktfrequenzen von 100MHz sind für die ICs normalerweise kein Problem.

8-Bit Schieberegister mit Ausgangs-Latch

74*594

Shift Clear, Latch Clear, Tri-State

74*595

Shift Clear, Tri-State

74*596

Shift Clear, Open Collector/high-Z

CD4094, 74*4094

Tri-State

Siehe auch

• avr-gcc
• Bezugsquellen
• I²C-Bus