Portexpander am AVR

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Vorteile

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

Nachteile

• bei dieser Version nur Ausgabe möglich

Resourcen

Tabelle: Resourcen-Verbrauch mit N ICs

Resource	ohne SPI-Hardware	mit SPI-Hardware
AVR-Peripherie	3 digitale I/O	SPI + 1 digitale I/O
Interrupts	keine
Flash (Bytes mit -Os)	52	44
SRAM (statisch)	N
SRAM (Stack)	2
Laufzeit serpa_out()	19 + 101*N	16 + 27*N
Expander 74*595, CD4094, ...	N
maximaler Datendurchsatz in kByte pro Sekunde und MHz	10	37

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

Kleinkram:

• evtl. Pullup/Pulldown-Widerstand: 20kΩ
• Widerstände zum Entkoppeln vom ISP: einige kΩ
• evtl. Kondensatoren von 100pF zum Entstören der Dateinleitungen

Schaltplan

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

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 = _BV(SPE) | _BV(MSTR) | _BV(CPOL);
	
   // pullup an MISO vermeidet Floaten
   SET (PORT_MISO);

   // maximale Geschwindigkeit: F_CPU / 2	 
   SPSR |= _BV(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

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);
}