實(shí)現單片機與FPGA的雙向并口通信

這個(gè)暑假我在進(jìn)行電子競賽的培訓，對于這個(gè)問(wèn)題找到了一些相關(guān)的資料，可以提供一些幫助。

如果是這方面的高手的話(huà)，其實(shí)會(huì )發(fā)現這個(gè)原理很簡(jiǎn)單，只要理解一些I/O口的設置就能完成了。但是如果對于單片機或者FPGA的I/O口的電路不理解的話(huà)可能就會(huì )走許多的歪路了。

閑話(huà)少說(shuō)，進(jìn)入正題。

首先，還是要理解所謂的推挽輸出與漏極輸出兩者的區別。先說(shuō)說(shuō)漏極開(kāi)路（OD)，它與集電極開(kāi)路（OC）是一致的，就是把下圖的三極管改成CMOS管就是了。

集電極開(kāi)路（OC）輸出的結構如圖1所示，右邊的那個(gè)三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開(kāi)路（左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時(shí)，輸出也為“0”）。對于圖1，當左端的輸入為“0”時(shí)，前面的三極管截止（即集電極C跟發(fā)射極E之間相當于斷開(kāi)），所以5V電源通過(guò)1K電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導通（即相當于一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合）；當左端的輸入為“1”時(shí)，前面的三極管導通，而后面的三極管截止（相當于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）。

為了方便理解，我們把上面的圖1改寫(xiě)成圖2的樣子。

圖2中的開(kāi)關(guān)受軟件控制，“1”時(shí)斷開(kāi)，“0”時(shí)閉合。很明顯可以看出，當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)。這時(shí)電平狀態(tài)未知，如果后面一個(gè)電阻負載（即使很輕的負載）到地，那么輸出端的電平就被這個(gè)負載拉到低電平了，所以這個(gè)電路是不能輸出高電平的。也就是說(shuō)這個(gè)輸出端的電平是受負載的影響的。這樣是很不穩定的，要避免這種情況。最多的就是使用上拉電阻。

再看圖三。圖三中那個(gè)1K的電阻即是上拉電阻。如果開(kāi)關(guān)閉合，則有電流從1K電阻及開(kāi)關(guān)上流過(guò)，但由于開(kāi)關(guān)閉和時(shí)電阻為0（方便我們的討論，實(shí)際情況中開(kāi)關(guān)電阻不為0，另外對于三極管還存在飽和壓降），所以在開(kāi)關(guān)上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則由于開(kāi)關(guān)電阻為無(wú)窮大（同上，不考慮實(shí)際中的漏電流），所以流過(guò)的電流為0，因此在1K電阻上的壓降也為0，所以輸出端的電壓就是5V了，這樣就能輸出高電平了。但是這個(gè)輸出的內阻是比較大的（即1KΩ），如果接一個(gè)電阻為R的負載，通過(guò)分壓計算，就可以算得最后的輸出電壓為5*R/(R+1000)伏，即5/(1+1000/R)伏。所以，如果要達到一定的電壓的話(huà)，R就不能太小。如果R真的太小，而導致輸出電壓不夠的話(huà)，那我們只有通過(guò)減小那個(gè)1K的上拉電阻來(lái)增加驅動(dòng)能力（所謂的驅動(dòng)力，往往與電流有關(guān)的）。但是，上拉電阻又不能取得太小，因為當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，將產(chǎn)生電流，由于開(kāi)關(guān)能流過(guò)的電流是有限的，因此限制了上拉電阻的取值，另外還需要考慮到，當輸出低電平時(shí)，負載可能還會(huì )給提供一部分電流從開(kāi)關(guān)流過(guò)，因此要綜合這些電流考慮來(lái)選擇合適的上拉電阻。

P.S：說(shuō)到OC門(mén)的話(huà)，大家都能想到三態(tài)門(mén)，那么就不得不提起它的“線(xiàn)與”功能了，這個(gè)功能是很方便的。操作上面也很簡(jiǎn)單。如下附圖：

另一種輸出結構是推挽輸出。推挽輸出的結構就是把上面的上拉電阻也換成一個(gè)開(kāi)關(guān)，當要輸出高電平時(shí)，上面的開(kāi)關(guān)通，下面的開(kāi)關(guān)斷；而要輸出低電平時(shí)，則剛好相反。比起OC或者OD來(lái)說(shuō)，這樣的推挽結構高、低電平驅動(dòng)能力都很強。如果兩個(gè)輸出不同電平的輸出口接在一起的話(huà)，就會(huì )產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說(shuō)的OC或OD輸出則不會(huì )有這樣的情況，因為上拉電阻提供的電流比較小。如果是推挽輸出的要設置為高阻態(tài)時(shí)，則兩個(gè)開(kāi)關(guān)必須同時(shí)斷開(kāi)（或者在輸出口上使用一個(gè)傳輸門(mén)），這樣可作為輸入狀態(tài)，有些單片機的一些IO口就是這種結構。

總結：從上面也可以知道了，I/0輸出有兩種方式。那么現在的難點(diǎn)就是如何讓I/0口輸入數據。其實(shí)上面已經(jīng)講過(guò)了，就是只需要把輸出設置為高阻狀態(tài)就可以了。那么有些新人就會(huì )問(wèn)了，都設成高阻狀態(tài)了，數據還怎么輸入??？這其實(shí)是一個(gè)誤區，其根本是沒(méi)有理解I/O口的結構。

如果我們將一個(gè)讀數據用的輸入端接在輸出端（這就是上面疑惑的答案了），這樣就是一個(gè)IO口了（51的IO口就是這樣的結構，其中P0口內部不帶上拉，而其它三個(gè)口帶內部上拉），如圖4所示。當我們要使用輸入功能時(shí)，只要將輸出口設置為1即可，也就是要把下面的z=1,這樣就相當于那個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，而對于P0口來(lái)說(shuō)，就是高阻態(tài)了。

到現在為止，已經(jīng)把輸入輸出端口原理已經(jīng)講明了了。如果理解了上面所講的，那么寫(xiě)程序也就是的把對應的端口進(jìn)行設置就OK了，比較簡(jiǎn)單的。如果不明白，可以問(wèn)我，QQ或者郵件都可以，最后我會(huì )留下聯(lián)系方式的。