用8位移位寄存器74HC595扩展Raspberry Pi的GPIO接口

解决一下论坛发烧友们的老大难问题。(本文来自转载)

树莓派的GPIO接口数目有限,驱动一个步进电机需要占用4个, 一个显示屏也要占4个, 传感器输入至少需要一个,多玩几个外设后接口就不够用了。如果接口可以复用就可以让树莓派驱动更多的外设了,本文讨论如何使用74HC595集成电路芯片来扩展树莓派的GPIO接口。

SN74HC595N

芯片介绍

SN74HC595N是德州仪器公司生产的集成电路芯片,是一个8位串行输入变串行输出或并行输出移位寄存器,具有高阻关断,高电平和低电平三态输出。在IO扩充上,可以最多串联15片,也就是高达120个IO扩充。

74HC595同数据相关的引脚可以分为三类:

  1. SDI:串行数据输入,接单片机的某个I/O引脚。
  2. Q0~Q7:8位并行数据输出,可以直接控制8个LED,或者是七段数码管的8个引脚。
  3. SDO:级联输出端,与下一个74HC595的DS相连,实现多个芯片之间的级联。

74HC595同控制相关的引脚一共有四个:

  • SHCP:移位寄存器的时钟输入。上升沿时移位寄存器中的数据依次移动一位,即Q0中的数据移到Q1中,Q1中的数据移到Q2中,依次类推;下降沿时移位寄存器中的数据保持不变。
  • STCP:存储寄存器的时钟输入。上升沿时移位寄存器中的数据进入存储寄存器,下降沿时存储寄存器中的数据保持不变。应用时通常STCP置为低电平,移位结束后再在ST_CP端产生一个正脉冲更新显示数据。
  • RST:重置(RESET),低电平时将移位寄存器中的数据清零,应用时通常将它直接连高电平(VCC)。
  • OE:输出允许,高电平时禁止输出(高阻态)。引脚不紧张的情况下可以用Arduino的一个引脚来控制它,这样可以很方便地产生闪烁和熄灭的效果。实际应用时可以将它直接连低电平(GND)。

对于一个最简单的74HC595应用来讲,可以用89c51的三个I/O端口分别控制SDI、SHCP和STCP,然后将RST和OE分别接VCC和地。

单片机与74HC595(8位输出锁存移位寄存器)的使用方法

74HC595的数据端:

  • QA–QH: 八位并行输出端,可以直接控制数码管的8个段。
  • QH’: 级联输出端。我将它接下一个595的SI端。
  • SI: 串行数据输入端。
  • 74HC595的控制端说明:
  • SCLR(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常我将它接Vcc。
  • SCK(11脚):上升沿时数据寄存器的数据移位。QA–>QB–>QC–>…–>QH;下降沿移位寄存器数据不变。(脉冲宽度:5V时,大于几十纳秒就行了。我通常都选微秒级)
  • RCK(12脚):上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器,下降沿时存储寄存器数据不变。通常我将RCK置为低电平,当移位结束后,在RCK端产生一个正脉冲(5V时,大于几十纳秒就行了。我通常都选微秒级),更新显示数据。
  • G(13脚): 高电平时禁止输出(高阻态)。如果单片机的引脚不紧张,用一个引脚控制它,可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要省时省力。

注:

  1. 74164和74595功能相仿,都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流(25mA)比74595(35mA)的要小,14脚封装,体积也小一些。
  2. 74595的主要优点是具有数据存储寄存器,在移位的过程中,输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处,数码管没有闪烁感。
  3. 595是串入并出带有锁存功能移位寄存器,它的使用方法很简单,在正常使用时SCLR为高电平, G为低电平。从SER每输入一位数据,串行输595是串入并出带有锁存功能移位寄存器,它的使用方法很简单,如下面的真值表,在正常使用时SCLR为高电平, G为低电平。从SER每输入一位数据,串行输入时钟SCK上升沿有效一次,直到八位数据输入完毕,输出时钟上升沿有效一次,此时,输入的数据就被送到了输出端。入时钟SCK上升沿有效一次,直到八位数据输入完毕,输出时钟上升沿有效一次,此时,输入的数据就被送到了输出端。

其实,看了这么多595的资料,觉得没什么难的,关键是看懂其时序图,说到底,就是下面三步(引用):

  • 第一步:将要准备输入的位数据移入74HC595数据输入端上。
  • 第二步:将位数据逐位移入74HC595。
  • 第三步:并行输出数据。

接口的常用命名方式有以下两种:

控制流程

如果要在8个引脚输出01010101

  1. 将Pin 14(DS, SER)置为高电平(1);
  2. 将Pin 11 (SH_CP, SRCLK))做高低电平切换,形成一个脉冲信号,这个信号会将数据从移位寄存器C1移动到下一个移位寄存器C2
  3. 接着将Pin 14设为低电平(0),再将Pin 11做1->0的脉冲变化,将数据继续往下移,依次类推直到8位都输入完成;
  4. 将Pin 12(ST_CP, RCLK)做1->0的脉冲,将8位数据一次并行输出。

如果要串联多片,由上一片的Pin 9接到下一片的Pin 14即可,这样输入16 bit后,再向Pin 12输入一个1->0的脉冲,16 bit会并行输出。

如果要一次清除所有数据,将Pin 10设为低电平后,再向Pin 12输入一个1->0的脉冲即可; 下面我们使用一片74HC595来同时控制8个发光二极管的状态,只需要占用树莓派的3个GPIO;否则的话,则需要占用8个。如果需要同时控制16个发光二极管,则可以通过串联两个74HC595来实现。

所需材料

  • 74HC595 一个
  • 面包板 一个
  • 跳线 14根
  • 发光二极管 8个
  • 300欧姆电阻 8个

引脚连接

596 Pin 14 -> Raspberry Pi GPIO4
596 Pin 12 -> Raspberry Pi GPIO5
596 Pin 11 -> Raspberry Pi GPIO6

    #include <wiringPi.h>
    #include <stdio.h>
    int SER   = 4;
    int RCLK  = 5;
    int SRCLK = 6;
    unsigned char LED[8]={0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80};
    void SIPO(unsigned char byte);
    void pulse(int pin);
    void init() {
        pinMode(SER, OUTPUT);
        pinMode(RCLK, OUTPUT);
        pinMode(SRCLK, OUTPUT);
        digitalWrite(SER, 0);
        digitalWrite(SRCLK, 0);
        digitalWrite(RCLK, 0);   
    }
    void delayMS(int x) {
      usleep(x * 1000);
    }
    int main (void)
    {
        if (-1 == wiringPiSetup()) {
            printf("Setup wiringPi failed!");
            return 1;
        }   
        init();
        int i;
        while(1) {  
          for(i = 0; i < 8; i++)
          {
           SIPO(LED);
           pulse(RCLK);
           delayMS(50);
           printf(" i = %d", i);
          }
          printf("\n");
          delayMS(500); // 500 ms
          
          for(i = 7; i >= 0; i--)
          {
           SIPO(LED);
           pulse(RCLK);
           delayMS(50);
           printf(" i = %d", i);
          }
          delayMS(500); // 500 ms
        }
        usleep(1000);
        digitalWrite(RCLK, 1);
    }
    void SIPO(unsigned char byte)
    {
        int i;
        for (i=0;i<8;i++)
        {
            digitalWrite(SER,((byte & (0x80 >> i)) > 0));
            pulse(SRCLK);
        }
    }
    void pulse(int pin)
    {
        digitalWrite(pin, 1);
        digitalWrite(pin, 0);
    }

 

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