В прошлый раз был рассмотрен вариант увеличения выходов микроконтроллера при помощи микросхемы – дешифратора , сегодня рассмотрим более продвинутый вариант на сдвиговом регистре 74HC595. Использовав всего одну микросхему можно заиметь в свое распоряжение дополнительно 8 выходов, использовав всего 3 ноги микроконтроллера. А благодаря возможности расширения, добавив вторую микросхему, количество выходов можно увеличить до 16. Если мало, можно добавить третью и получить в пользование уже 24 выхода и такой трюк можно повторять сколько угодно раз. При этом количество занимаемых ног микроконтроллера так и останется 3, красота!

Итак, рассмотрим более подробно назначение выводов микросхемы и научимся управлять сдвиговым регистром 74hc595 в Bascom-AVR.

Для начала ознакомимся с выводами микросхемы, а точнее с их функциональностью. Ниже представлена вырезка из даташита на 74hc595 с обозначением выводов микросхемы:

• Q0…Q7 – выходы которыми будем управлять. Могут находится в трёх состояниях: логическая единица, логический ноль и высокоомное Hi-Z состояние
• GND – земля
• Q7′ – выход предназначенный для последовательного соединения регистров.
• MR – сброс регистра.
• SH_CP – вход для тактовых импульсов
• ST_CP – вход «защёлкивающий» данные
• OE – вход переводящий выходы из HI-Z в рабочее состояние
• DS – вход данных
• VCC – питание 5 вольт
  

Логика работы с регистром

Когда на тактовом входе SH_CP появляется логическая единица, бит находящийся на входе данных DS считывается и записывается в сдвиговый регистр. Этот бит записывается в самый младший разряд. При поступлении на тактовый вход следующего импульса высокого уровня, в сдвиговый регистр записывается следующий бит со входа данных. А тот бит который был записан ранее сдвигается на один разряд влево, а его место занимает вновь пришедший бит. Следующий тактовый импульс запишет третий бит, а два предыдущих сдвинутся дальше. Когда все восемь бит заполнились и приходит девятый тактовый импульс то регистр снова начинает заполнятся с младшего разряда и всё повторятся вновь. Что бы данные появились на выходах Q0…Q7 нужно их «защёлкнуть». Для этого необходимо подать логическую единицу на вход ST_CP .

- MR осуществляет сброс регистра, устанавливая все выходы Q0…Q7 в состояние логического нуля. Для осуществления сброса нужно подать логический ноль на этот вход и подать положительный импульс на вход ST_CP . Очень полезная функция, так как при подаче питания на микросхему на выходе появляется некое произвольное значение. При работе с регистром на этом выводе должна находится логическая единица.

- OE (output enable) если подать сюда логическую 1, то выходы будут находится в высокоомном HI-Z состоянии. Когда подаем на этот вход логический 0, выходы будут находится в рабочем состоянии.

- Q7′ предназначен для последовательного соединения сдвиговых регистров.

Но лучше один раз увидеть, чем два раза прочитать =) поэтому смотрим на анимацию:

Работа с регистром в лоб

Осваивая работу с незнакомой микросхемой часто бывает полезна работа в лоб, тоесть прямое дергание ногами управления, это позволяет лучше понять принципы работы с подопытным. Итак следуя логике работы, написал программу которая должна будет вывести на выход регистра бинарное число 10010010

$regfile = "attiny2313.dat"
$crystal = 1000000

Config Portb = Output

Sh_cp Alias Portb . 3 "нога для тактовых импульсов
Ds Alias Portb . 2 "нога для вывода данных
St_cp Alias Portb . 0 "нога для "защелкивания" данных в регистр хранения

"вывод через регистр числа 146 (в бинарном представлении 10010010)

St_cp = 0 "выставляем ногу в режим записи данных

Ds = 1 "выставляем первый бит
Sh_cp = 0 "даем импульс на тактовый выход
Sh_cp = 1

Ds = 0 "выставляем второй бит
Sh_cp = 0
Sh_cp = 1

Ds = 0 "выставляем третий бит
Sh_cp = 0
Sh_cp = 1

Ds = 1 "выставляем четвертый бит
Sh_cp = 0
Sh_cp = 1

Ds = 0 "выставляем пятый бит
Sh_cp = 0
Sh_cp = 1

Ds = 0 "выставляем шестой бит
Sh_cp = 0
Sh_cp = 1

Ds = 1 "выставляем седьмой бит
Sh_cp = 0
Sh_cp = 1

Ds = 0 "выставляем восьмой бит
Sh_cp = 0
Sh_cp = 1

St_cp = 1 "защелкиваем введенные данные

End

компилируем, зашиваем в микроконтроллер или смотрим в симулятор и видим на выходе нашу комбинацию.

Работает, на выходе регистра появилось отправленное число!

Работа с регистром таким образом хоть и возможна но слишком громоздка и занимает много программной памяти. Но зато наглядно демонстрирует всю методику работы с данной микросхемой. Рассмотрим более подходящий метод.

Управление регистром 74HC595 в Bascom через команду ShiftOut

В Bascom-AVR для работы со всевозможными последовательными интерфейсами есть замечательная команда SHIFTOUT
Эта команда сама разложит число на битовые составляющие и последовательно выведет их на любой пин микроконтроллера, заодно она может выдавать тактовые импульсы. Для работы со сдвиговыми регистрами самое то! Синтаксис команды:

SHIFTOUT Datapin , Clockpin , var , option

Datapin – порт микроконтроллера для вывода данных

Clockpin – порт микроконтроллера для вывода тактовых импульсов

Var – данные которые хотим отправить в регистр

Option – число от 0 до 3, этим параметром выбирается в каком порядке будут вводиться данные в регистр и активный уровень на линии Clock при котором происходит запись бита:
option=0 – старший бит идет первым, Clock активный уровень низкий
option=1 – старший бит идет первым , Clock активный уровень высокий
option=2 – младший бит идет первым , Clock активный уровень низкий
option=3 – младший бит идет первым , Clock активный уровень высокий

В нашем случае для работы с регистром 74HC595 параметр option нужно ставить 1 или 3.

Для того чтобы защелкнуть данные в регистре, применим команду PulseOut . Эта команда выводит импульс на ногу микроконтроллера с заданной длительностью. Конфигурация команды выглядит следующим образом:

Теперь давайте выведем число 10010001 (145 в десятичной системе) на выход регистра, подключенному к микроконтроллеру по вышеприведенной схеме:

$regfile = "attiny2313.dat"
$crystal = 1000000

Dim A As Byte
Config Portb = Output

A = 145

Gosub Hc595 "уходим на подпрограмму отправки данных

End

Hc595 : "подпрограмма отправки данных

Shiftout Portb . 2 , Portb . 3 , A , 1 "отправляем данные в регистр
Pulseout Portb , 0 , 5 "защелкиваем данные
Return

Прошив микроконтроллер можно увидеть аналогичную картину, на выходе сдвигового регистра выставлена отправленная комбинация битов.

Как видно управление сдвиговым регистром 74HC595 в Bascom состоит всего из двух строк кода, и не представляет никаких сложностей.

Увеличение разрядности

Иногда требуется ОЧЕНЬ много выходных портов. Особенно если хотим сделать что нибудь на светодиодах. Гирлянду какую-нибудь навороченную. Что делать? Брать под это дело ATMega128 с ее полусотней выводов? Избыточно — для ламеров. Ставить i 2 с расширитель портов? Дорого. Для мажоров. Тут на помощь из вековых глубин выплывает старая добрая дискретная логика. На этот раз нас выручит грошовый сдвиговый регистр. Возьму, для примера, 74HC164 он же, для любителей совковых трешевых микросхем в неубиваемом каменном корпусе, наш КM555ИР8 .

От МК, как видно, требуется только четыре выхода. Одним (RESET) мы сбрасываем состояние регистра. Из второго (Data) побитно вылазит байтик, а тактовый CLC обеспечивает продвижение битов по регистру. Самих регистров тут три. Они сцеплены паровозом. Когда переполняется первый, то биты из него вылазят во второй, потом в третий. Итого, 24 вывода.
Катоды диодов подключены все вместе через транзистор и как только будет слово мы подаем сигнал Ready и зажигаем всю эту ботву.

Наполнять регистр просто:
1) Поднимаем и держим RESET в 1
2) Выдаем первый (старший) бит на Data .
3) Опускаем в 0 и поднимаем в 1 тактовый выход. На восходящем фронте происходит занос в регистр и сдвиг всей цепочки на один шаг.
4) Повторить со второго пункта пока все биты не выдадим.

А для сброса достаточно уронить Reset в ноль на пару микросекунд.
Все просто:)

З.Ы.
Кружок на входе регистра означает, что вход инверсный. Т.е. подал ноль — сработало
Треугольник на входе показывает по какому фронту произойдет срабатывание. Запомнить просто: _/ \_ — это, типа, импульс. А треугольник, как стрелочка, указывает на нужный фронт. ->_/ \_ передний (восходящий фронт) и _/ \_<- задний (нисходящий фронт)

В ситуации когда не хватает выходов микроконтроллера, что обычно делают? Правильно – берут микроконтроллер с большим количеством выходов. А если не хватает выводов у микроконтроллера с самым большим количеством выходов, то могут поставить и второй микроконтроллер.
Но в большинстве случаев проблему можно решить более дешевыми способами например использовать сдвиговый регистр 74HC595.

Преимущества использования сдвигового регистра 74HC595:

• не требует никакой обвязки кроме конденсатора по питанию;
• работает через широкораспостраненный интерфейс SPI;
• для самого простого включения достаточно двух выходов микроконтроллера;
• возможность практически неограниченного расширения количества выходов без увеличения занятых выходов микроконтроллера;
• частота работы до 100 МГц;
• напряжение питания от 2 В до 6 В;
• дешевый — стоит менее 5 центов;
• выпускается как в планарных корпусах (74HC595D удобен для производства), так и в DIP16 (74HC595N удобен для радиолюбителей и макетирования).

Для понимания работы регистра стоит взглянуть на функциональную схему. Она состоит из:

• 8-битного регистра сдвига,
• 8-битного регистра хранения,
• 8-битного выходного регистра.

Рассмотрим какие выводы есть у сдвигового регистра 74hc595.

Общего вывод и вывод питания объяснений не требуют.

• GND — земля
• VCC — питание 5 вольт

Входы 74HC595:

OE

Вход переводящий выходы из высокоимпедансного состояние в рабочее состояние. При логической единице на этом входе выходы 74HC595 будут отключены от остальной части схемы. Это нужно например для того чтобы другая микросхема могла управлять этими сигналами.
Если нужно включить в рабочее состояние микросхеме подайте логический ноль на этот вход. А если в принципе не нужно переводить выходы в высокоимпедансное состояние – смело заземляйте этот вывод.

MR — сброс регистра

Переводить все выходы в состояние логического нуля. Чтобы сбросить регистр нужно подать логический ноль на этот вход и подать положительный импульс на вход STCP.
Подключаем этот выход через резистор к питанию микросхемы и при необходимости замыкаем на землю.

DS – вход данных

Последовательно подаваемые сюда данные будут появляются на 8-ми выходах регистра в параллельной форме.

SHCP – вход для тактовых импульсов

Когда на тактовом входе SHCP появляется логическая единица, бит находящийся на входе данных DS считывается и записывается в самый младший разряд сдвигового регистра. При поступлении на тактовый вход следующего импульса высокого уровня, в сдвиговый регистр записывается следующий бит со входа данных. Тот бит который был записан ранее сдвигается на один разряд (из Q0 в Q1) , а его место занимает вновь пришедший бит. И так далее по цепочке.

STCP – вход «защёлкивающий» данные

Что бы данные появились на выходах Q0…Q7 нужно подать логическую единицу на вход STCP. Данные поступают в параллельный регистр который сохряняет их до следующего импульса STCP.

Выходы 74HC595

• Q0…Q7 – выходы которыми будем управлять. Могут находится в трёх состояниях: логическая единица, логический ноль и высокоимпедансное состояние
• Q7′ – выход предназначенный для последовательного соединения регистров.

Временная диаграмма на которой показано движение логической единицы по всем выходам регистра.

Как говориться лучше один раз увидеть, чем семь раз услышать. Я сам впервые применяя регистр 74HC595 не до конца понимал его работу и чтобы понять смоделировал нужную схему в Proteus.

Вот такая схема подключения семисегментных индикаторов к микроконтроллеру ATMega48 по SPI получилась:

Это схема с динамической индикацией, то есть в каждый момент времени загорается только одна цифра счетверенного семисегментного индикатора, потом загорается следующая и так по кругу. Но так как смена происходит очень быстро, то глазу кажется, что горят все цифры.
Кроме того одновременно эта схема и опрашивает 4 кнопки S1-S4. Добавив два сдвоенных диода можно опрашивать 8 кнопок. А добавив 4 транзистора и резистора можно подключить дополнительный 4-х знаковый индикатор.
Чтобы динамическая индикация заработала в регистры нужно послать два байта: первый байт определяет, какой из 4-х индикаторов будет работать и какую кнопку будем опрашивать. А второй, какие из сегментов загорятся.

Одной из проблем, возникающих при разработке микроконтроллерных устройств часто становится необходимость экономии линий портов ввода/вывода. Многие периферийные устройства, которые могут работать в связке с процессором, требуют для передачи информации большого количества соединительных проводников. Актуальность этой задачи не снизилась даже с появлением процессоров с большим количеством выводов, так как одновременно усложнились и периферийные устройства. Для устройств индикации, одним из вариантов снижения количества требуемых линий может стать использование регистров сдвига (Shift register).

Регистр сдвига представляет собой цепочку из нескольких, последовательно соединенных D-триггеров. На первый триггер подключается информационный выход микроконтроллера. С каждым импульсом тактового сигнала, передаваемого по отдельной линии, уровень на входе каждого из триггеров записывается на выход. В итоге происходит сдвиг сигнала от начала к концу цепочки. Если использовать подключить выходные линии после каждого из триггеров, то сдвиговый регистр будет представлять собой последовательно-параллельный преобразователь. Это значит, что для организации каких-либо индикаторов, будет минимально необходимо использовать только два вывода микроконтроллера.

В настоящее время производители предлагают большое количество моделей регистров сдвига, с различными функциональными особенностями. Далее будут рассматриваться только микросхемы с последовательным входом и параллельным выходом. Также для описываемых целей можно использовать некоторые универсальные модели регистров.

Использование регистра 74164

Регистр сдвига

Одной из наиболее простых и распространенных микросхем, реализующих функцию регистра сдвига, считается модель 74164 (555ИР8) и ее технологические варианты. Данная микросхема представляет собой 8-ми разрядный регистр с последовательной загрузкой и параллельным выходом. Используя 74164 можно сравнительно просто получить линейный индикатор из 8-ми светодиодов или односимвольный семисегментный индикатор. При необходимости, допускается последовательное соединение нескольких микросхем, что увеличит количество выходных линий, и подключенных к ним индикаторов.

Выходной ток каждой линии современных вариантов 74ACT164 и 74HCT164 составляет 25мА, что позволяет напрямую подключать маломощные одиночные светодиоды или семисегментные индикаторы. Время цикла этих микросхем может находиться на уровне 15нС, что соответствует возможности работы на частоте 66МГц. Учитывая, что подобная или более высокая частота работы процессоров встречается редко, для формирования тактовых импульсов достаточно просто включить и выключить выход контроллера, без какой-либо задержки.Для загрузки данного регистра сдвига достаточно двух линий: DATA и CLK. Это позволяет задействовать только две линии микроконтроллера, для управления устройством индикации. При этом во многих случаях может оказаться не важно, сколько микросхем будет соединено последовательно, и соответственно сколькими индикаторами управляет контроллер.

Вариантов использования 74164 существует множество. Можно выделить несколько из них. Первый, вышеназванный индикатор на основе нескольких светодиодов. Второй – одиночный семисегментный индикатор или линейка из них. Пример линейки индикаторов показан в статье – Термометр на микроконтроллере PIC12F629 .

Программирование индикации с использование регистра сдвига также не отличается высокой сложностью. Особенно если в микроконтроллере реализована такая операция, как сдвиг байта через бит переноса. Проверкой данного бита можно определить уровень, который требуется установить на линии данных. Циклически повторяя такой сдвиг и формируя тактовые импульсы можно полностью загрузить регистр сдвига.Следующим вариантом использования может стать схема динамической индикации, когда для снижения количества используемых линий микропроцессора, параллельный вывод на отдельные сегменты, заменяется на последовательный, с использованием последовательно-параллельного преобразователя. Этот же преобразователь может использоваться в схеме включения ЖК-индикатора на базе HD44780.

Использование регистров 74595 и 4094

Применение регистров сдвига позволяет строить большие схемы с использованием светодиодных индикаторов. Но в случае, если индикаторы потребляют большой ток (состоят из множества отдельных светодиодов), выходного сигнала регистра становится недостаточно. Для усиления сигнала можно применять различные схемы, состоящие из отдельных транзисторов, или сборок. Наиболее просто и выгодно в этом случае использовать микросхему ULN2803, содержащую 8 транзисторных ключей. Каждый ключ способен коммутировать ток до 500мА при напряжении до 50В, что позволяет подключать к нему до нескольких десятков отдельных светодиодов, маломощных ламп накаливания, либо сегменты крупногабаритных матричных индикаторов. Единственным отличием от вышеприведенных схем, будет использование светодиодных индикаторов с общим анодом, так как ULN2803, по сути, представляет собой ключ нижнего плеча.При всех своих достоинствах, микросхема 74164 имеет некоторые недостатки. В первую очередь к ним следует отнести непосредственное подключение выходов схемы к выходным линиям триггеров. В медленных системах светодиодной индикации, при загрузке регистра, можно наблюдать движение информации от входа к выходу в виде посторонней засветки сегментов. В случае частого обновления информации, подобная засветка вызывает несколько неприятные ощущения. Для ее устранения следует применять регистры, оснащенные выходной защелкой. Примером таких элементов служат микросхемы 74595 и 4094. Каждая из них имеет дополнительный вход стробирования SCLK. При неизменном принципе загрузки, информация на выходе этих устройств сможет появиться только после прохождения импульса по данному входу. Такое решение требует использования дополнительного вывода микроконтроллера, но позволяет строить индикаторы с большим количеством сегментов, без появления различных неприятных эффектов. Особенно полезно использование регистров, оснащенных защелками совместно с микроконтроллерами, работающими на пониженных частотах или от внутренних генераторов.

Применение регистров сдвига несколько усложняет схему готового устройства, но позволяет использовать минимум выходов микроконтроллера и имеет множество других достоинств. Помимо прочего использование вышеприведенных решений позволяет упростить программирование и создавать без больших затрат многоразрядные индикаторы.

You have no rights to post comments

1. Умножение на 2 – это сдвиг двоичного числа влево на 1 разряд.

Деление на 2 – это сдвиг числа вправо на 1 разряд.

Каждый последующий сдвиг числа – это дальнейшее умножение или деление на степень двойки.

2 Преобразование параллельного кода в последовательный и наоборот можно осуществить по схеме, приведенной на рис. 3.43.

Рис. 3.43. Схема преобразования кода параллельный\последовательный

S – data serial - последовательный вход данных

P/ S – вход управления режимом ввода (параллельный/последовательный)

Для осуществления преобразования регистр RG1 переводят в режим параллельного приема информации, а RG2 последовательного приёма, воздействуя на входы управления P/S соответствующим логическим уровнем сигнала. Параллельный код через входы D 1 - D 4 загружается в передающий регистр RG1, появляясь в параллельном виде на его выходах Q 1 – Q 4 . После этого оба регистра переводят в режим сдвига и на тактовый вход «с» подают серию из четырех импульсов. Передаваемый код вытесняется из передающего регистра в линию связи начиная со старших разрядов числа. Регистр–приёмник принимает и сдвигает каждый бит информации синхронно с передающим регистром. Таким образом, с окончанием серии из четырех тактовых импульсов, передаваемый код будет размещен в принимающем регистре и может быть прочитан из него в параллельном виде, т. к. появится на его выходах Q 1 – Q 4 . Это синхронный способ передачи кода.

При асинхронном способе синхронизирующий перепад, называемый стартовым битом, сопровождает цепочку из 5-8 бит (чаще всего байт). Это стандартный последовательный интерфейс .

Для выполнения функции как приемника так и передатчика при обмене в стандартном последовательном формате выпускаются специальные микросхемы КР580ВВ51 (ввод-вывод) или КР581ВА1.

Экономические расчеты стоимости кабеля связи и аппаратуры преобразования показывают, что при разрядности в 1-2 байта передача последовательным кодом уже при расстояниях в несколько метров становится выгоднее передачи параллельным кодом.

Сигналы сдвига подаются на RG непрерывно, а выход замкнут на вход DS. В результате однажды записанный в регистр код будет в этом кольце циркулировать. Поставив параллельно m одинаковых регистров можно записывать и считывать m-разрядные слова параллельным кодом.

Недостаток – большое время обращения

Достоинства – малые аппаратурные затраты и низкая стоимость.

Например 144ИР3 имеет ёмкость 64 бит.

4. Кольцевые распределители

Распределителями называют узлы, распределяющие поток импульсов последовательно, импульс за импульсом, по нескольким выходам по определенным циклограммам.

Применяют для управления шаговыми двигателями, обслуживания матриц ПЗС и др. многоразрядных объектов (рис. 3.44).

Рис. 3.44. Кольцевой распределитель

Схема предусматривает внесение единицы через элемент ИЛИ на вход последовательного приема информации DS. Последующие импульсы сдвига с частотой следования f вх перемещают эту единицу от младших разрядов к старшим, выделяя её на выходах Q 1 – Q 4 (рис. 3.45).

Рис. 3.45 Диаграмма кольцевого распределителя

Очевидно, что частота выходных импульсов на каждом из выходов окажется в четыре раза меньше входной, а в общем виде это соотношение зависит от числа разрядов сдвигового регистра – n. f вых = f вх / n

Достоинством такого распределителя является возможность преобразования последовательности импульсов в восьмеричный (десятичный) код без применения дешифратора.

Недостаток схемы – после сбоя работоспособность можно восстановить только путем внесения новой единицы.

От этого недостатка свободна схема с самовосстановлением после сбоя (рис. 3.46).

Рис. 3.46. Кольцевой распределитель с самовосстановлением после сбоя

Очевидно, что при смещении единицы в четвертый триггер регистра будет выполняться условие: Q̅ 1 ·Q̅ 2 ·Q̅ 3 = 1. Эта единица по цепи обратной связи поступит на вход DS, после чего цикл повторится.

5. Счетчик импульсов

Кольцевой распределитель можно рассматривать как счетчик-делитель с коэффициентом счета равным числу триггеров. Соединив последовательно два регистра по четыре разряда можно построить делитель на 16 (рис. 3.47).

Рис. 3.47 Счетчик-делитель на 16

Явным недостатком такой конструкции является малая ёмкость. Действительно, затратив те же 8 триггеров, можно собрать двоичный счетчик с коэффициентом деления 2 8 = 256.

6. Кольцевой распределитель с перекрестной связью