电子产品开发细节: MCU 端口的上拉电阻

闲暇过客 2020-10-16 12:58:52

细节决定品质，这句话人尽皆知。但是，在电子产品的开发实践中，真正做到充分地处理细微之处，并非易事。细节处理不充分，在通常工作条件下，产品能够运行正常；但是当工作条件恶化（例如，电源波动，噪声干扰），可能会出现意想不到的负面结果。而电子产品质量的优劣，更多是在恶劣工作条件下才能充分体现出来。

我们以下图所示的上拉电阻为例，聊聊细节处理对电子产品质量的重要性。

上拉电阻的主要作用，是为了保证输入型 I/O端口在无外部输入信号时，保持确定的高电平。这一点对于即使刚入门的电子工程师，通常也是能够理解、掌握的。那么对于上拉电阻的阻值，该如何选择呢？通常，我们会根据典型电路或参考书籍上的示例，选择 4.7K, 5.1K, 10K 等。那么，这个阻值的选择，有什么限制吗？答案是有限制的。

如果我们阅读MCU手册的电特性单元，会发现I/O 部分有一个参数 IOL，用于表征 I/O 端口作为输出端口且输出低电平时，端口输入的电流值，而这个参数存在最大电流值的限制。上拉电阻的阻值限制，正是和这个参数相关，需满足上拉电阻 R > Vcc / IOL (max)。

上拉电阻，是用于输入型的 I/O 端口，为什么其限制值和输出端口的参数 IOL 相关呢？这就涉及上拉电阻的另外一个作用－异常发生时的安全防护功能。

我们都知道，上拉电阻是用于输入方向的 I/O 端口。而端口的方向选择，通常是由方向寄存器设定的。在通常的工作条件下，方向一旦设定，不会发生变化，除非应用程序通过指令变更其方向设定。但是，如果工作环境存在强噪声，方向寄存器中的设定值可能会被意外修改，使原本设定为输入型的I/O 端口变更为输出端口。如果此时端口缓冲器的数据恰好是 0 ，则有电流从VCC流经上拉电阻和端口的 N 管。如果上拉电阻值很小，则会出现电流过大的情形，甚至造成I/O端口的硬件损坏。

因此，上拉电阻的阻值选择，不仅考虑端口作为输入方向时、利用该电阻使端口有确定的初始值，还需考虑异常发生时，不会因端口方向变更造成端口的损坏。

我们再来看下图中关于上拉电阻的方案：

从逻辑功能看，这样的处理可以保证每个端口的高电平，并且节约了上拉电阻的数量。但是，这种处理方法存在潜在的风险。如前文所述，当工作环境中存在强噪声时，方向寄存器可能会被意外篡改。如果共用上拉电阻的两个端口都被意外篡改为输出端口，并且恰好一个端口的数据缓冲器数据 = 1，另外一个端口的数据缓冲器数据 = 0，那么会有从一个端口的P管流经另外一个端口N管的大电流产生，可能会造成端口的损坏。

因此，不推荐多个端口共用同一个上拉电阻的处理方法。安全的处理方法是，每个端口通过单独的上拉电阻连接到电源，如下图所示。