Устройства индикации

Использование сдвиговых регистров в устройствах индикации.

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.

Подключение индикатора

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.

Подключение HD44780 с использованием регистра	Каскадное включение регистров	Использование ULN2803 совместно с регистром

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.