Arduino: модуль расширителя-мультиплексора CD74HC4067
Продолжаем тему модулей расширения портов для Arduino. Иногда возникает необходимость получать аналоговый сигнал с большого количества сенсоров, опрашивая их по очереди. Но у стандартной платы Arduino на контроллере ATMega328 всего 5 аналоговых входов.
В такой ситуации нас выручит аналоговый мультиплексор 1-в-16 CD74HC4067 (рис. 1). Он работает очень просто: в зависимости от логических уровней на входах адреса S0…S3 соединяет общий вывод Z c одним из выводов Y0…Y15. Двоичное значение адреса соответствует номеру вывода Y. Например, адрес 0000 подключает к выводу Z вывод Y0; адрес 0011 подключает вывод Y3.
Коммутация работает как обычная проволочная перемычка между выводом Z и одним из выводов Y: направление передачи сигнала не имеет значения, сигнал на входе полностью повторяет сигнал на выходе. Мультиплексор разработан для коммутации аналоговых сигналов, но с равным успехом он может коммутировать и логические уровни – “перемычке” между выводами нет разницы, какой сигнал пропускать через себя.
Разумеется, мультиплексор можно использовать не только для переключения источников сигнала на аналоговом входе Arduino, но и управлять при помощи микроконтроллера распространением аналоговых сигналов между блоками устройства. Например, коммутировать источники звукового сигнала в усилителе НЧ. Кстати, коэффициент нелинейных искажений синусоидального сигнала в канале коммутации составляет не более 0,015%.
Основные ограничения по параметрам сигнала:
- Уровень сигнала не может превышать напряжение питания микросхемы VCC.
- Сквозной ток через канал-перемычку не должен превышать 25 мА. Этого достаточно для управления обычными светодиодами.
- Собственное сопротивление канала около 55 ом.
Особенности работы мультиплексора
Вывод EN (Enable) управляет активностью микросхемы в целом. При высоком логическом уровне на входе EN все сигнальные выводы мультиплексора переходят в высокоомное состояние независимо от адреса на выводах S0…S3.
При низком логическом уровне на входе EN вывод Z соединяется с одним из выводов Y0…Y15, а остальные выводы Y находятся в отключенном (высокоомном) состоянии. Этот момент важно учитывать, если сигнал поступает на вывод Z, а приемники сигнала подключены к выводам Y. В этом случае входы всех приемников сигнала, кроме подключенного в данный момент к Z, будут “висеть в воздухе” и подвергаться случайным помехам. Обычно это недопустимо, и надо предусмотреть в схеме резисторы номиналом 5…10 кОм, которые будут подтягивать входы приемников к общему проводу.
Если адресные входы S0…S3 подключены к портам Arduino, то адрес выставляется не одномоментно, а по мере записи логических уровней в порты Arduino!!! Мультиплексор работает быстро, и в момент выставления адреса вывод Z на короткое время будет соединяться со случайными выводами Y. Иногда это может быть очень вредно – вы можете соединить Z с ненужным случайным выводом Y. А мы ведь знаем, что если сбой в схеме может случиться, то он обязательно произойдет с наихудшими последствиями в самое неудачное время.
Поэтому лучше занять еще один цифровой порт Arduino для управления выводом EN. Алгоритм работы такой:
- Подаем высокий уровень на вывод EN
- Выставляем номер вывода Y на входах S0…S3
- Подаем низкий уровень на вывод EN
Пример подключения к Arduino
Порты D0…D3 подключим к адресным входам S0…S3; порт D4 соединяем со входом EN. Вывод Z соединяем с аналоговым входом A0 (рис. 2).
Загружаем в плату Arduino простой скетч:
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 |
#define S0 0 #define S1 1 #define S2 2 #define S3 3 #define EN 4 void setup() { pinMode(EN, OUTPUT); digitalWrite(EN, HIGH); pinMode(S0, OUTPUT); digitalWrite(S0, LOW); pinMode(S1, OUTPUT); digitalWrite(S1, LOW); pinMode(S2, OUTPUT); digitalWrite(S2, LOW); pinMode(S3, OUTPUT); digitalWrite(S3, LOW); pinMode(A0, INPUT_PULLUP); pinMode(EN, OUTPUT); digitalWrite(EN, LOW); } void loop() { } |
В этом скетче мы выставили на выводах S0…S3 адрес вывода Y0 и активировали мультиплексор. Теперь при помощи мультиметра измерьте сопротивление между выводом Z и выводами Y. Только между выводами Z и Y0 низкое будет сопротивление, остальные выводы Y отключены.
Измерьте напряжение на выводах Y. Почему на выводе Y0 напряжение питания? Правильно, потому что командой pinMode(A0, INPUT_PULLUP); мы включили внутренний подтягивающий резистор, который подтягивает вход A0 к линии питания. Соответственно, это же напряжение проникает через вывод Z на вывод Y0.
Обратите внимание, чтобы управлять светодиодами, подключенными к выводам Y, достаточно одного гасящего резистора в цепи вывода Z. Второй вывод резистора подключается к общему проводу или линии питания, в зависимости от полярности включения светодиодов. При подборе номинала резистора учитывайте собственное сопротивление канала около 55 ом.
а как подключить к демультиплексору аудио-декодер на MT8870?
Прежде всего, сформулируйте конечную задачу, хотя в виде блок-схемы или парой слов. Откуда и куда поступает сигнал, с какой целью? Вывод Z – это общий сигнальный вывод, который может соединяться с любым из выводов Y0-Y15 в зависимости от адреса на S0…S3. Например, если вы хотите подавать на вход MT8870 сигнал DTMF от разных источников, то соединяете вывод Z со входом MT8870, к выводам Y0…Y15 подсоединяете разные источники DTMF сигнала, и выбираете нужный источник выводами S0…S3.
Разумеется, если ваша задача другая, то и подключение будет другое. Помните, что у мультиплексора нет понятия “вход” и “выход”, он одинаково пропускает сигнал между Z и Y0…Y15 в любом направлении. Вы ведь знаете, как устроен галетный переключатель? Вот это и есть мультиплексор.
от звукоплаты компьютера звук диалтона идет на аудио-декодер DTMF на базе MT8870, там на выходах Q0-Q3 появляется код соответствующий диалтону, этот код передается на входы S0-S3 демультипексора, и в итоге на соответствующем диалтону выходе Y0-Y15 появляется лог 0. Ранее эта схема прекрасно работала в телефонах. Но сейчас я я хочу собрать эту же схему на модулях Arduino, и не могу понять, как соединить аудио-декодер DTMF Arduino с их же демультиплексором.. Однако если ранее для активации демультиплексора требовалось только подать лог 0 на свободный вход CS1 или CS2, то сейчас появились входы EN и Z, которые неизвестно как работают и что на них подавать.
вот и весь вопрос.
На вывод EN нужно подать логический 0. На вывод Z надо подать тот логический уровень, который вы хотите выдать на Y0-Y15. Поскольку вам нужен 0, значит подаете на Z тоже 0. Итого, просто сажаете на землю выводы EN и Z модуля мультиплексора.
не пойдет – выводы Y0-Y15 и так на нуле даже если схема выключена.
Должно быть так: при включении устройства в сеть на выходах Y0-Y15 устройства устанавливается +5 В, если же подается диалтон, то соответствующий выход Yi обнуляется.
Значит придется подключить подтягивающие резисторы от +5 к каждому выводу Yi. Неактивные выводы имеют высокий импеданс, и резисторы будут тянуть их в +5. Активный вывод будет через линию Z притягиваться к 0. Иначе никак. Перечитайте еще раз внимательно описание работы мультиплексора. Неактивные выводы не могут быть “и так на нуле”, как вы говорите. Они находятся в состоянии _высокого_импеданса_, а это далеко не то же самое, что логический ноль!
еще один вопрос, и начинаю паять: надо подтягивать +5 В сразу ко всем выходам Yi или можно по одному?
Нужно подключить отдельные подтягивающие резисторы между +5 и каждым выводом Yi, который вам нужен. Если вы используете все 16 выводов Yi, значит вам придется подключить 16 резисторов, потому что линии Yi абсолютно независимые друг от друга.
Большое спасибо!