實現(xiàn)單片機(jī)與FPGA的雙向并口通信

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

如果是這方面的高手的話，其實會發(fā)現(xiàn)這個原理很簡單，只要理解一些I/O口的設(shè)置就能完成了。但是如果對于單片機(jī)或者FPGA的I/O口的電路不理解的話可能就會走許多的歪路了。

閑話少說，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(qū)別。先說說漏極開路（OD)，它與集電極開路（OC）是一致的，就是把下圖的三極管改成CMOS管就是了。

集電極開路（OC）輸出的結(jié)構(gòu)如圖1所示，右邊的那個三極管集電極什么都不接，所以叫做集電極開路（左邊的三極管為反相之用，使輸入為“0”時，輸出也為“0”）。對于圖1，當(dāng)左端的輸入為“0”時，前面的三極管截止（即集電極C跟發(fā)射極E之間相當(dāng)于斷開），所以5V電源通過1K電阻加到右邊的三極管上，右邊的三極管導(dǎo)通（即相當(dāng)于一個開關(guān)閉合）；當(dāng)左端的輸入為“1”時，前面的三極管導(dǎo)通，而后面的三極管截止（相當(dāng)于開關(guān)斷開）。

為了方便理解，我們把上面的圖1改寫成圖2的樣子。

圖2中的開關(guān)受軟件控制，“1”時斷開，“0”時閉合。很明顯可以看出，當(dāng)開關(guān)閉合時，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當(dāng)開關(guān)斷開時，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)。這時電平狀態(tài)未知，如果后面一個電阻負(fù)載（即使很輕的負(fù)載）到地，那么輸出端的電平就被這個負(fù)載拉到低電平了，所以這個電路是不能輸出高電平的。也就是說這個輸出端的電平是受負(fù)載的影響的。這樣是很不穩(wěn)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1K的電阻即是上拉電阻。如果開關(guān)閉合，則有電流從1K電阻及開關(guān)上流過，但由于開關(guān)閉和時電阻為0（方便我們的討論，實際情況中開關(guān)電阻不為0，另外對于三極管還存在飽和壓降），所以在開關(guān)上的電壓為0，即輸出電平為0。如果開關(guān)斷開，則由于開關(guān)電阻為無窮大（同上，不考慮實際中的漏電流），所以流過的電流為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。但是這個輸出的內(nèi)阻是比較大的（即1KΩ），如果接一個電阻為R的負(fù)載，通過分壓計算，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(dá)到一定的電壓的話，R就不能太小。如果R真的太小，而導(dǎo)致輸出電壓不夠的話，那我們只有通過減小那個1K的上拉電阻來增加驅(qū)動能力（所謂的驅(qū)動力，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(dāng)開關(guān)閉合時，將產(chǎn)生電流，由于開關(guān)能流過的電流是有限的，因此限制了上拉電阻的取值，另外還需要考慮到，當(dāng)輸出低電平時，負(fù)載可能還會給提供一部分電流從開關(guān)流過，因此要綜合這些電流考慮來選擇合適的上拉電阻。

P.S：說到OC門的話，大家都能想到三態(tài)門，那么就不得不提起它的“線與”功能了，這個功能是很方便的。操作上面也很簡單。如下附圖：

另一種輸出結(jié)構(gòu)是推挽輸出。推挽輸出的結(jié)構(gòu)就是把上面的上拉電阻也換成一個開關(guān)，當(dāng)要輸出高電平時，上面的開關(guān)通，下面的開關(guān)斷；而要輸出低電平時，則剛好相反。比起OC或者OD來說，這樣的推挽結(jié)構(gòu)高、低電平驅(qū)動能力都很強(qiáng)。如果兩個輸出不同電平的輸出口接在一起的話，就會產(chǎn)生很大的電流，有可能將輸出口燒壞。而上面說的OC或OD輸出則不會有這樣的情況，因為上拉電阻提供的電流比較小。如果是推挽輸出的要設(shè)置為高阻態(tài)時，則兩個開關(guān)必須同時斷開（或者在輸出口上使用一個傳輸門），這樣可作為輸入狀態(tài)，有些單片機(jī)的一些IO口就是這種結(jié)構(gòu)。

總結(jié)：從上面也可以知道了，I/0輸出有兩種方式。那么現(xiàn)在的難點就是如何讓I/0口輸入數(shù)據(jù)。其實上面已經(jīng)講過了，就是只需要把輸出設(shè)置為高阻狀態(tài)就可以了。那么有些新人就會問了，都設(shè)成高阻狀態(tài)了，數(shù)據(jù)還怎么輸入??？這其實是一個誤區(qū)，其根本是沒有理解I/O口的結(jié)構(gòu)。

如果我們將一個讀數(shù)據(jù)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IO口了（51的IO口就是這樣的結(jié)構(gòu)，其中P0口內(nèi)部不帶上拉，而其它三個口帶內(nèi)部上拉），如圖4所示。當(dāng)我們要使用輸入功能時，只要將輸出口設(shè)置為1即可，也就是要把下面的z=1,這樣就相當(dāng)于那個開關(guān)斷開，而對于P0口來說，就是高阻態(tài)了。

到現(xiàn)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，那么寫程序也就是的把對應(yīng)的端口進(jìn)行設(shè)置就OK了，比較簡單的。如果不明白，可以問我，QQ或者郵件都可以，最后我會留下聯(lián)系方式的。