电子工程师如何处理扩展单片机的IO引脚数量

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在项目开发设计时，单片机的IO引脚数量不够，该如何处理？

单片机，作为一般电子类产品项目的关键元器件， 常被工程师应用处理数据的逻辑运算，甚至包含一些软件的算法。比如工程师在开发如下项目：

• 家用电饭煲项目，单片机就可以作为数据运算的核心器件，负责处理加热、定时、显示、按键等功能的实现；
  

• 电动剃须刀项目，单片机可以作为电机控制的核心器件，负责处理电机的正转、电池的电量管理等功能的实现；
  

• 办公碎纸机项目，单片机可以作为逻辑分析的核心器件，负责处理电机的正转、反转、堵转、人体保护等功能的实现。
  

单片机项目

工程师在针对这类的项目开发，会依据设计的功能需求确定单片机所需的内部资源，也就是确定单片机的型号。常用单片机的内部资源包含引脚数量、主频时钟、存储空间以及通信接口等等，工程师根据这些信息选择项目匹配的单片机型号。

确定单片机型号之后，工程师便可以进行项目的具体研发工作，硬件工程师展开电路原理图设计，软件工程师展开程序的代码设计；在项目研发阶段，工程师或许会遇到类型情况：

项目的研发工作在接近完毕时，临时需要额外增加某项功能；或者项目版本在更新迭代的过程中，临时需要额外调整某项功能。

面对这类情况，这些临时增加和调整的功能，可能会导致之前选择的单片机的IO引脚数量不够问题出现；针对单片机的IO引脚数量不够时，工程师该如何去较好地解决呢？

工程师可能会重新选择单片机的型号，直接通过简单地增加IO引脚数量来解决；此方案虽然可以解决，但不推荐，主要存在2个问题：

• 重新选择新的单片机型号，与之相关联的软件代码相当于也需要重新开发设计，增加了项目的开发工作量，工作效率不佳；
• 重新选择新的单片机型号，与之相关联的硬件电路相当于也需要重新开发设计，需要重新调试验证，尤其是一些可靠性试验的测试；
  

既然重新选择新的单片机型号存在这些问题，那有没有其他方案可以更好地解决呢？

在项目开发过程中，单片机的IO引脚数量不够时，除了重新选择新的单片机型号解决方案之外，还存在使用IO引脚扩展芯片的方案，比如AL5524芯片就是一个单片机的IO引脚扩展芯片，就能解决此类问题；

那么AL5524 IO引脚扩展芯片，它具有什么样的特性？它是如何解决了单片机的IO引脚数量的？它又是如何扩展单片机的IO引脚数量的？

AL5524芯片引脚定义

Pin1引脚：INTB是实现中断功能；

Pin2 & Pin3 & Pin21引脚：ADD实现的功能是通过硬件方式定义了IIC通信的地址信息；

Pin4 ~ Pin11引脚：RA是芯片扩展的IO引脚；

Pin13 ~ Pin20引脚：RB是芯片扩展的IO引脚；

Pin22 & Pin23引脚：IIC通信接口功能引脚；

Pin12 & Pin24引脚：芯片的电源输入引脚；

（AL5224引脚定义图）

通过引脚功能定义，工程师基本可以分析出芯片的工作原理，也就是通过IIC接口扩展了单片机的IO引脚数量，这从芯片的内部结构框图更容易看出。

AL5224芯片内部框图

在AL5224芯片的内部框图中，主要包含四个部分：地址生成器，IIC控制器，寄存器与控制器，普通IO引脚Port A与Port B；

（AL5224功能框图）

（1）地址生成器：主要是通过ADD0、ADD1以及ADD2外部的硬件电路定义IIC的通信地址，常用的简便设计是将ADD0、ADD1与ADD2直接接地；

（2）IIC控制器：主要是AL5224芯片与单片机之间通信的桥梁，用以数据交换，实现IO引脚扩展功能；

（3）寄存器与控制器：主要是将IIC通信的数据暂存于此，便于转换成Port A和Port B引脚输出；

（4）普通IO引脚Port A与Port B：此两个引脚就是芯片需要扩展的IO引脚，等同于单片机的IO引脚功能；

分析完这些内容之后，工程师或许更清晰地认识了AL5224芯片的功能；但这些内容还仅仅停留在理论层面，那么具体在项目开发中，如何去应用呢？如何去设计呢？如何开发电路呢？

AL5224芯片应用电路

在了解完AL5224芯片基本的电路特性之后，工程师迫切地想着手去解决项目中实际存在的问题，否则就失去了工作意义。

（AL5224芯片应用电路）

AL5224芯片的工作电源电压范围为2.0V~5.5V，既可以兼容5V的逻辑电平，也可以兼容3.3V的逻辑电平。

AL5224芯片的应用电路，工程师很容易设计开发，只需将SCL与SDA引脚连接单片机的IIC引脚即可，这样单片机就轻易地实现了解决扩展IO引脚数量的问题了；单片机通过2个IO引脚SCL与SDA，扩展了16个IO引脚数量，也就实现了扩展IO引脚数量的功能。

文末结尾：

在介绍完AL5224芯片的电路特性之后，工程师或许在对比中发现，相对重新选择新的单片机型号而言，选择AL5224 IO引脚扩展芯片方案更具有普遍性，可操作性更强；正所谓事务都具有双重性，有正面必然有反面，AL5224芯片的电路方案也存在一些不足之处。

• 增加项目的BOM核算成本，主要是增加了AL5224的芯片成本；
  

• AL5224 IO引脚扩展芯片，扩展了14个IO引脚数量；显然在实际项目开发中很少会遇到需要扩展14个IO引脚的数量，即便AL5224系列芯片也支持扩展8个IO引脚数量，但会造成一些多余的IO引脚资源浪费现象。
  

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