嵌入式Linux工控板的ISA总线GPIO扩展

1、精简ISA总线GPIO扩展原理

  在工业领域，GPIO的应用非常广泛，英利嵌入式Linux工控板上自带有16路GPIO。然而在实际应用中，经常需要多于16路的GPIO作为控制或者数据信号使用，这时候可以通过英利精简ISA总线进行GPIO扩展。采用最普遍的逻辑芯片74HCT138、74HCT245和74HCT273即可以扩展出满足需求数量的GPIO。此外，由于上述芯片的成本极其低廉，单片采购价只有几角钱，因此在满足功能需求的同时，也有效地控制了产品成本。

  采用精简ISA总线进行GPIO扩展的方法是：使用74HCT138对片选控制信号CS1#、读信号RD#、写信号WE#以及地址线SA0-SA2进行地址译码，产生不同地址偏移量的片选信号，应用程序通过对不同地址的读写操作来控制相应的GPIO（GPIO通过74HCT245或者74HCT273连接到数据线SD0-SD7）。

2、DIN扩展示例

        数字输入DIN的扩展原理图如下所示：

        如图所示，地址译码产生了8个读片选信号，每一个信号通过控制一片74HCT245可以操作8路GPIO，这样，一次译码之后可以扩展出64路DIN。本图中只使用了RD0#和RD1#两个片选信号，客户如有需要可以使用RD2#-RD7#继续进行扩展。

3、DOUT扩展示例

        数字输出DOUT的扩展原理图如下所示：

        综上所述，通过一次地址译码能够扩展出64路输入、64路输出一共128路GPIO，可以满足绝大多数工业控制领域的需求。而这128路GPIO扩展所需的器件成本只有十几元，相对于工控整机产品而言，几乎可以忽略不计。

        此外需强调的是，如果用户扩展出的GPIO是用做不同的功能，那么最好将不同的功能单元完全分开。

        比如，需要进行如下扩展控制： 
       •  3路DIN 
       •  2x3矩阵键盘 
       •  5个LED 
       •  4路继电器单元 
       •  7路DOUT

        则分配思路如下：由于有5个功能单元，每一个功能单元所需的GPIO都不超过8个，因此使用2片74HCT245分别用于矩阵键盘、DIN；4片74HCT273分别用于矩阵键盘、LED、继电器、DOUT，读信号用RD0#和RD1#，写信号用WE0#-WE3#。这样，应用程序分别独立控制各功能单元，可以加快开发进度，提高开发的成功率和后期维护效率；而多使用几个芯片，并不会给开发成本增加任何负担。

        上述示例的具体分配方案如下： 
       •  1片74HCT245，使用片选信号RD0#，接矩阵键盘的输入信号
       •  1片74HCT245，使用片选信号RD1#，接3路DIN
       •  1片74HCT273，使用片选信号WE0#，接矩阵键盘的输出信号
       •  1片74HCT273，使用片选信号WE1#，接LED
       •  1片74HCT273，使用片选信号WE2#，接继电器
       •  1片74HCT273，使用片选信号WE3#，接7路DOUT

        另需注意：

        1、建议将地址偏移量为0的端口留作矩阵键盘使用，以便于系统自动加载驱动和应用程序的编写。

        2、由于英利提供的例程均采用CS1#作为片选信号，因此建议客户也使用CS1#进行扩展，以方便前期测试。