問：DIP 開關(guān)與單片機 MCU接口的基本原理

將單片機 (微控制器) 連接到雙列直插式封裝( DIP ) 開關(guān)是一種常見的應(yīng)用。俗稱 “DIP” 的開關(guān)可用于各種設(shè)計，從適合面包板原型設(shè)計的傳統(tǒng) DIP 到表面貼裝“鋼琴”型，再到易于讀取十六進制值的旋轉(zhuǎn)開關(guān)。

在這篇文章中，我們將仔細研究旋轉(zhuǎn)開關(guān)，并探索如何將其集成到我們的單片機設(shè)計中。本文中介紹的技術(shù)一般適用于所有單片機設(shè)計。

從規(guī)則開始

讓我們從一個簡單的規(guī)則開始:不允許浮動輸入 。當單片機引腳被配置為輸入，但在其他情況下未連接時，就會出現(xiàn)浮動輸入。這里展示了一個例子。當開關(guān)閉合時，關(guān)聯(lián)引腳被綁在正軌上。當開關(guān)打開時，引腳是浮動的。

這是非常不希望的，因為浮動引腳可能被解釋為邏輯高，或者在其他時候，邏輯低。從故障排除的角度來看，單片機的響應(yīng)將沒有任何韻律或原因。引腳容易受到噪聲的影響，并且通常會松散地遵循相鄰單片機引腳的值。

解決方法是增加一個下拉電阻，如下圖所示。有了這個小小的變化，當開關(guān)閉合時，單片機的引腳就會向上拉到導軌上，或者當開關(guān)打開時，它就會向下拉到地上。暫時忽略開關(guān)彈跳，單片機將有一個干凈的輸入。

優(yōu)化解決方案

現(xiàn)代單片機就是為這種類型的接口而設(shè)計的。幾乎所有的單片機都具有 I/O 部分，其內(nèi)部電阻可以向上拉或向下拉 I/O 引腳。這是可取的，因為開關(guān)可以直接連接到單片機，從而消除了外部電阻器的需要。

技術(shù)小貼士 :

一些單片機具有上拉和下拉電阻。其他將只有一種類型，與上拉配置更常見。這些外設(shè)通常被稱為“弱上拉”，消耗數(shù)十到數(shù)百uA。這相當于連接一個值在15 kΩ到150 kΩ之間的外部拉電阻。

Arduino的一個例子是:

pinMode (SW_PIN_D0 INPUT_PULLUP);

該原理圖給出了單片機與開關(guān)接口的一種方式。雖然本例采用旋轉(zhuǎn) DIP 開關(guān)，但該設(shè)計適用于所有開關(guān)。觀察:

■ 內(nèi)部上拉電阻使用單片機的特殊功能寄存器啟用

■ 開關(guān)的公共元件連接到地

技術(shù)小貼士 ：

原理圖中顯示了一個可選的串聯(lián)電阻以及可選的多路復用部分。這允許 I/O 引腳執(zhí)行雙重任務(wù)。例如，這個小口寬的接口可以用來讀取開關(guān)，也可以用來驅(qū)動 LCD 顯示器的 D3 到 D0。這可能是可取的，因為它有可能以犧牲電路和代碼復雜性為代價減少單片機引腳數(shù)和PCB的總體尺寸。

在我們結(jié)束之前，讓我們看一下與旋轉(zhuǎn) DIP 開關(guān)相關(guān)的物理開關(guān)代碼。代表性的HEX代碼取自歐姆龍的數(shù)據(jù)手冊。觀察 A6A-16R 和 A6A-16C 型號對應(yīng)的“BCD十六進制碼” 和 “BCD十六進制補碼” 兩個開關(guān)配置。

回頭看單片機原理圖及其相關(guān)的上拉電阻，我們看到了一個反轉(zhuǎn)。例如，當開關(guān)處于1位置時，在位置2 + 4 + 8上會有三個正邏輯輸入。同時，如果安裝了互補開關(guān)，則會有一個對應(yīng)于1信號的正邏輯(有源高電平)輸入。
從編程的角度來看，這個物理開關(guān)代碼中的這種差異是無關(guān)緊要的。一個簡單的 bit 反轉(zhuǎn)指令就會使它們相等。從故障排除或教育的角度來看，互補版本可能更容易理解，因為它導致單片機引腳上存在正邏輯值。