CN111813028A - 通用性输入输出端口电路及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通用性输入输出端口电路及其工作方法，该电路包括主控单元、输入单元以及输出单元，输入单元包括三极管Q1，三极管Q1的基极连接外部输入设备，三极管Q1的集电极与主控单元连接；输出单元包括Mos管Q8以及Mos管Q5，Mos管Q8以及Mos管Q5分别通过输出控制单元与主控单元连接。本发明实现大大简化了系统的设计，提高了输入输出端口电路的硬件的通用性和应用的灵活性。

Description

通用性输入输出端口电路及其工作方法

技术领域

本发明涉及输入输出端口电路，更具体地说是指通用性输入输出端口电路及其工作方法。

背景技术

微处理器控制系统在现代世界得到了越来越广泛的应用。微处理器一般通过模拟数字转换器ADC和数字输入接口从传感器等获得外界信息，经过处理后通过数字模拟转换器DAC和数字输出接口向外界输出信息，进行控制，在很多汽车电子控制系统应用中，微处理器的数字端口需要跟外界交换信息，通常是高电平或者低电平的形式。

外界的接口一般都有多种接口形式，比如说高电平有效、低电平有效、平时悬空高阻等等。不同的外部电路设计决定了这些接口具有多种形式，这样对微处理器的输入输出接口设计带来了困难，必须考虑各种接口形式，设计不同的接口电路。这样硬件设计就很复杂，而且不同的接口需要更换不同的硬件，这样系统不能做到通用，每种接口都要不同的硬件，增加了成本和调试的困难。

因此，有必要设计一种新的电路，实现大大简化了系统的设计，提高了输入输出端口电路的硬件的通用性和应用的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供通用性输入输出端口电路及其工作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：通用性输入输出端口电路，包括主控单元、输入单元以及输出单元，所述输入单元包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极连接外部输入设备，所述三极管Q1的集电极与所述主控单元连接；所述输出单元包括Mos管Q8以及Mos管Q5，所述Mos管Q8以及所述 Mos管Q5分别通过输出控制单元与所述主控单元连接。

其进一步技术方案为：所述输入单元还包括压敏电阻TD1以及滤波电容C1，其中，所述压敏电阻TD1的一端接地，所述压敏电阻TD1的另一端连接于外部输入设备与所述三极管Q1的基极之间；所述滤波电容C1的一端接地，所述滤波电容C1的另一端连接于外部输入设备与所述三极管Q1的基极之间。

其进一步技术方案为：所述输入单元还包括上拉电阻R2以及上拉电阻R1，所述上拉电阻R2的一端连接于所述外部输入设备与所述三极管Q1的基极之间；所述上拉电阻R1一端与所述三极管Q1的集电极连接，所述三极管Q1的集电极与所述主控单元之间连接有保护电阻R3，所述三极管Q1的基极与所述外部输入设备之间连接有调节电阻R4。

其进一步技术方案为：所述输入单元还包括开关单元，所述开关单元包括三极管Q2、三极管Q3以及二极管D1，其中，所述三极管Q2的基极与所述主控单元连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的集电极与所述三极管Q3的基极连接，所述三极管Q3的发射极与所述外部输入设备连接，所述三极管Q3的集电极与所述调节电阻R4连接，所述二极管D1的两端分别与所述三极管Q3的发射极以及所述三极管Q3的集电极连接。

其进一步技术方案为：所述输入单元还包括三极管Q7，所述三极管Q7的基极与所述主控单元连接，所述三极管Q7的发射极接地，所述三极管Q7的集电极通过电阻R11与所述三极管Q1的基极连接。

其进一步技术方案为：所述三极管Q1的集电极连接有电阻R12以及电阻R14，所述电阻R14的一端接地，所述主控单元通过电阻R13连接于所述电阻 R12与所述电阻R14之间。

其进一步技术方案为：所述输出控制单元包括三极管Q4以及三极管Q6，所述三极管Q4分别与所述Mos管Q8以及主控单元连接，所述三极管Q6分别与所述Mos管Q5以及主控单元连接。

其进一步技术方案为：所述三极管Q4的基极与所述主控单元连接，所述三极管Q4的集电极通过电阻R22与所述Mos管Q8的栅极连接；所述Mos管Q8 的源极连接有负载。

其进一步技术方案为：所述三极管Q6的基极与所述主控单元连接，所述三极管Q6的集电极与所述Mos管Q5的栅极连接，所述Mos管Q5的源极与所述负载连接，所述三极管Q6的集电极与所述主控单元连接。

本发明还提供了通用性输入输出端口电路的工作方法，包括：

根据外部输入设备输入的信号驱动三极管Q1的导通或截断，以调节输入主控单元的电平高低；并由主控单元输入控制信号，驱动输出控制单元导通或截断，以调节Mos管Q8以及Mos管Q5输出的电平高低。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过设置主控单元、输入单元以及输出单元，其中，输入单元包括三极管Q1，输出单元包括Mos管Q8以及Mos管Q5，根据不同的输入情况，由主控单元进行控制，在控制过程中，满足静态电流限制的要求且端口的EMC和ESD性能也保持不变，不同情况下均可以进行输入和输出的控制，实现大大简化了系统的设计，提高了输入输出端口电路的硬件的通用性和应用的灵活性。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例提供的输入单元的具体电路原理图；

图2为本发明另一具体实施例提供的输入单元的具体电路原理图；

图3为本发明另一具体实施例提供的输入单元的具体电路原理图；

图4为本发明具体实施例提供的输出单元的具体电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

如图1～4所示的具体实施例，本实施例提供的通用性输入输出端口电路，可以运用在接口控制的电路中，实现可以用软件重新配置微处理器端口的电平定义，同时满足系统静态功耗和ESD(静电释放，Electro-Static discharge)保护的要求，大大简化了系统的设计，提高了硬件的通用性和应用的灵活性。

请参阅图1与图2，上述的通用性输入输出端口电路，包括主控单元、输入单元以及输出单元，输入单元包括三极管Q1，三极管Q1的基极连接外部输入设备，三极管Q1的集电极与主控单元连接；输出单元包括Mos管Q8以及Mos 管Q5，Mos管Q8以及Mos管Q5分别通过输出控制单元与主控单元连接。

在本实施例中，三极管Q1隔离输入12V电池电压以及主控单元的5V电压。当输入单元处于高阻态输入且有效信号为高时，受控电源+12VS关断，平时的高阻输入不能使三极管Q1导通，控制单元管脚得到高信号。当有效信号为高时，三极管Q1导通，控制单元管脚信号为低。由于平时输入高阻，整个电路处于休眠时输入电流为零，不消耗电能；当输入单元处于高阻态输入且有效信号为低时，受控电源+12VS接通，平时的高阻输入不影响后级，受控电源+12VS通过上拉电阻R2使三极管Q1导通，控制单元管脚得到低信号，当有效信号为低时，三极管Q1关断，控制单元管脚信号为高，由于平时输入高阻，整个电路休眠时输入电流为零，不消耗电能；当输入单元处于低电平输入且有效信号为高电平时，受控电源+12VS关断，平时的低电平输入不能使三极管Q1导通，控制单元管脚得到高信号，当有效信号为高时，三极管Q1导通，控制单元管脚信号为低。由于平时输入为低，受控电源+12VS关断，休眠时输入电流为零，不消耗电能；当输入单元处于低电平输入且有效信号为高阻时，受控电源+12VS接通，平时的低电平输入不能使三极管Q1导通，控制单元管脚得到高信号，当有效信号为高阻时，受控电源+12VS通过上拉电阻R2使三极管Q1导通，控制单元管脚信号为低。由于平时输入为低电平输入，受控电源+12VS在系统休眠是关断，休眠时输入电流为零，不消耗电能。上述的情况中，整个电路的休眠电流只是压敏电阻TD1和三极管Q1的漏电流，数值非常低，可以满足各种规范的要求。

当输入单元处于高电平输入而有效信号为低时，受控电源+12VS关断，平时的高电平输入使三极管Q1导通，控制单元管脚得到低信号，当有效信号为低时，三极管Q1关断，控制单元管脚信号为高，在系统休眠时，三极管Q1导通，会消耗一定的电流，但是这个电流的幅值可以由调节电阻R4的阻值控制到很小的水平，消耗电能不大；当输入单元处于高电平输入且有效信号为高阻时，受控电源+12VS关断，平时的高电平输入使三极管Q1导通，控制单元管脚得到低信号，当有效信号为高阻时，三极管Q1关断，控制单元管脚信号为高。在系统休眠时，三极管Q1导通，会消耗一定的电流，但是这个电流的幅值可以由调节电阻R4的阻值控制到很小的水平，消耗电能不大。上述的情况中，整个电路的休眠电流由调节电阻R4及三极管Q1的输入电阻决定，绝大多数情况下都可以满足法规的要求。

控制单元通过对受控电源+12VS的控制，可以用一套通用的硬件接口设计，通过不同的软件配置，就满足各种不同输入信号的要求，实现了软件可重配硬件输入端口的功能。而且端口的EMC(电磁兼容性，Electro Magnetic Compatibility)和ESD性能也保持不变，整个电路休眠时的静态功耗也控制到了一个较好的水平。

在一实施例中，请参阅图1，上述的输入单元还包括压敏电阻TD1以及滤波电容C1，其中，压敏电阻TD1的一端接地，压敏电阻TD1的另一端连接于外部输入设备与三极管Q1的基极之间；滤波电容C1的一端接地，滤波电容C1 的另一端连接于外部输入设备与三极管Q1的基极之间。

压敏电阻TD1以及滤波电容C1是输入保护器件，用于抑制各种EMC和ESD脉冲，保护后续电路。

在一实施例中，请参阅图1，上述的输入单元还包括上拉电阻R2以及上拉电阻R1，上拉电阻R2的一端连接于外部输入设备与三极管Q1的基极之间；上拉电阻R1一端与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的集电极与主控单元之间连接有保护电阻R3，三极管Q1的基极与外部输入设备之间连接有调节电阻 R4。

上拉电阻R2连接到12V的受控电源+12VS，调节电阻R4调节三极管Q1 的切换电压，上拉电阻R1是5V的上拉电阻，保护电阻R3是保护微处理的输入管脚用。

在各种情况下，整个电路的休眠电流都可以控制在很小的程度。

在一实施例中，请参阅图2，上述的输入单元还包括开关单元，开关单元包括三极管Q2、三极管Q3以及二极管D1，其中，三极管Q2的基极与主控单元连接，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极与外部输入设备连接，三极管Q3的集电极与调节电阻R4 连接，二极管D1的两端分别与三极管Q3的发射极以及三极管Q3的集电极连接。

该实施例的输入单元用于对休眠电流要求特别严格的情况中，增加了三极管Q2、三极管Q3以及二极管D1组成的开关电路。在输入情况为输入单元处于高阻态输入且有效信号为高、输入单元处于高阻态输入且有效信号为低、输入单元处于低电平输入且有效信号为高电平、输入单元处于低电平输入且有效信号为高阻，三极管Q2、三极管Q3都导通，对整个电路没有任何影响，适用于上面的分析。对于输入单元处于高电平输入而有效信号为低以及输入单元处于高电平输入且有效信号为高阻这两种输入情况时，当整个电路休眠时，三极管Q2、三极管Q3都关断，这样高电平输入电压不会流入三极管Q1，这样就没有明显的休眠电流，严格满足静态功耗的要求。

当然，在其他实施例中，上述的上拉电阻R2以及上拉电阻R1可替换为下拉电阻，上述的三极管为NPN类型，当然，于其他实施例中，可以将三极管的型号更换为PNP。

在一实施例中，请参阅图3，上述的输入单元还包括三极管Q7，三极管Q7 的基极与主控单元连接，三极管Q7的发射极接地，三极管Q7的集电极通过电阻R11与三极管Q1的基极连接。

具体地，三极管Q1的集电极连接有电阻R12以及电阻R14，电阻R14的一端接地，主控单元通过电阻R13连接于电阻R12与电阻R14之间。

在该实施例中，当系统工作时，受控电源+12VS总是接通。当系统休眠时， +12VS总是关断。

在该实施例中，当输入单元处于高阻态输入且有效信号为高时，受控电源 EN使三极管Q7导通，平时三极管Q1导通，控制单元管脚得到高信号。当有效信号为高时三极管Q1关断，控制单元管脚信号为低，由于平时输入高阻，系统休眠时输入电流为零，不消耗电能；当输入单元处于高阻态输入而有效信号为低时。受控电源EN使三极管Q7关断，平时的高阻使三极管Q1关断，控制单元管脚得到低信号，当有效信号为低时，三极管Q1导通，控制单元管脚信号为高。由于平时输入高阻，系统休眠时输入电流为零，不消耗电能；当输入单元处于低电平输入而有效信号为高时，受控电源EN使三极管Q7关断，平时的低输入使三极管Q1导通，控制单元管脚得到高信号，当有效信号为高时，三极管Q1关断，控制单元管脚信号为低，由于平时输入为低，受控电源+12VS关断，休眠时输入电流为零，不消耗电能；当输入单元处于低电平输入而有效信号为高阻时，受控电源EN使三极管Q7关断，平时的低输入使三极管Q1导通，控制单元管脚得到高信号，当有效信号为高阻时，三极管Q1关断，控制单元管脚信号为低。由于平时输入为低，受控电源+12VS在整个电路休眠时是关断，休眠时输入电流为零，不消耗电能；当输入单元处于高电平输入而有效信号为低时。受控电源EN使三极管Q7关断，平时的高输入使三极管Q1关断，控制单元管脚得到低信号，当有效信号为低时，三极管Q1导通，控制单元管脚信号为高，在整个电路休眠时，三极管Q1关断，休眠时输入电流为零，不消耗电能；当输入单元处于高电平输入而有效信号为高阻时，受控电源EN使三极管Q7导通，平时的高输入使三极管Q1关断，控制单元管脚得到低信号，当有效信号为高阻时，三极管Q1导通，控制单元管脚信号为高，在系统休眠时，三极管Q1 以及三极管Q7关断，休眠时输入电流为零，不消耗电能。

采用控制单元软件配置的方式，就可以适应各种类型如高电平、低电平、高阻等的输入输出端口，由于不需要改变硬件，只是改变软件配置的方式，大大减小了硬件的种类，提高了硬件的通用性和应用的灵活性，从而成功地降低了系统成本，很具经济价值。

在一实施例中，请参阅图4，上述的输出控制单元包括三极管Q4以及三极管Q6，三极管Q4分别与Mos管Q8以及主控单元连接，三极管Q6分别与Mos 管Q5以及主控单元连接。

具体地，三极管Q4的基极与主控单元连接，三极管Q4的集电极通过电阻 R22与Mos管Q8的栅极连接；Mos管Q8的源极连接有负载。

具体地，三极管Q6的基极与主控单元连接，三极管Q6的集电极与Mos管 Q5的栅极连接，Mos管Q5的源极与负载连接，三极管Q6的集电极与主控单元连接。

在本实施例中，上述的Mos管Q8的栅极与Mos管Q8的漏极之间连接有电阻R21，电阻R21的两端并联有稳压二极管。

主控单元通过电阻R23与Mos管Q5的栅极连接，另外，Mos管Q5的栅极连接与主控单元之间还连接有一端接地的电阻R24。

Mos管Q8和Mos管Q5分别由主控单元两个输出管脚OutputSig2_Hi、 OutputSig2_Lo通过三极管Q4和三极管Q6控制，两个Mos管不能同时导通， Mos管Q8导通时，输出管脚OutputSig2输出高电平，而Mos管Q5导通时，输出管脚OutputSig2输出低电平，这样就在一个管脚上，采用通用的电路，用软件配置就可以实现不同的电平输出。

上述的通用性输入输出端口，通过设置主控单元、输入单元以及输出单元，其中，输入单元包括三极管Q1，输出单元包括Mos管Q8以及Mos管Q5，根据不同的输入情况，由主控单元进行控制，在控制过程中，满足静态电流限制的要求且端口的EMC和ESD性能也保持不变，不同情况下均可以进行输入和输出的控制，实现大大简化了系统的设计，提高了输入输出端口电路的硬件的通用性和应用的灵活性。

在一实施例中，还提供了通用性输入输出端口电路的工作方法，包括：

根据外部输入设备输入的信号驱动三极管Q1的导通或截断，以调节输入主控单元的电平高低；并由主控单元输入控制信号，驱动输出控制单元导通或截断，以调节Mos管Q8以及Mos管Q5输出的电平高低。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述通用性输入输出端口电路的工作方法的具体实现过程，可以参考前述的通用性输入输出端口电路实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.通用性输入输出端口电路，其特征在于，包括主控单元、输入单元以及输出单元，所述输入单元包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极连接外部输入设备，所述三极管Q1的集电极与所述主控单元连接；所述输出单元包括Mos管Q8以及Mos管Q5，所述Mos管Q8以及所述Mos管Q5分别通过输出控制单元与所述主控单元连接。

2.根据权利要求1所述的通用性输入输出端口电路，其特征在于，所述输入单元还包括压敏电阻TD1以及滤波电容C1，其中，所述压敏电阻TD1的一端接地，所述压敏电阻TD1的另一端连接于外部输入设备与所述三极管Q1的基极之间；所述滤波电容C1的一端接地，所述滤波电容C1的另一端连接于外部输入设备与所述三极管Q1的基极之间。

3.根据权利要求2所述的通用性输入输出端口电路，其特征在于，所述输入单元还包括上拉电阻R2以及上拉电阻R1，所述上拉电阻R2的一端连接于所述外部输入设备与所述三极管Q1的基极之间；所述上拉电阻R1一端与所述三极管Q1的集电极连接，所述三极管Q1的集电极与所述主控单元之间连接有保护电阻R3，所述三极管Q1的基极与所述外部输入设备之间连接有调节电阻R4。

4.根据权利要求3所述的通用性输入输出端口电路，其特征在于，所述输入单元还包括开关单元，所述开关单元包括三极管Q2、三极管Q3以及二极管D1，其中，所述三极管Q2的基极与所述主控单元连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的集电极与所述三极管Q3的基极连接，所述三极管Q3的发射极与所述外部输入设备连接，所述三极管Q3的集电极与所述调节电阻R4连接，所述二极管D1的两端分别与所述三极管Q3的发射极以及所述三极管Q3的集电极连接。

5.根据权利要求2所述的通用性输入输出端口电路，其特征在于，所述输入单元还包括三极管Q7，所述三极管Q7的基极与所述主控单元连接，所述三极管Q7的发射极接地，所述三极管Q7的集电极通过电阻R11与所述三极管Q1的基极连接。

6.根据权利要求5所述的通用性输入输出端口电路，其特征在于，所述三极管Q1的集电极连接有电阻R12以及电阻R14，所述电阻R14的一端接地，所述主控单元通过电阻R13连接于所述电阻R12与所述电阻R14之间。

7.根据权利要求1至6任一项所述的通用性输入输出端口电路，其特征在于，所述输出控制单元包括三极管Q4以及三极管Q6，所述三极管Q4分别与所述Mos管Q8以及主控单元连接，所述三极管Q6分别与所述Mos管Q5以及主控单元连接。

8.根据权利要求7所述的通用性输入输出端口电路，其特征在于，所述三极管Q4的基极与所述主控单元连接，所述三极管Q4的集电极通过电阻R22与所述Mos管Q8的栅极连接；所述Mos管Q8的源极连接有负载。

9.根据权利要求8所述的通用性输入输出端口电路，其特征在于，所述三极管Q6的基极与所述主控单元连接，所述三极管Q6的集电极与所述Mos管Q5的栅极连接，所述Mos管Q5的源极与所述负载连接，所述三极管Q6的集电极与所述主控单元连接。

10.通用性输入输出端口电路的工作方法，其特征在于，包括：

根据外部输入设备输入的信号驱动三极管Q1的导通或截断，以调节输入主控单元的电平高低；并由主控单元输入控制信号，驱动输出控制单元导通或截断，以调节Mos管Q8以及Mos管Q5输出的电平高低。

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