一个低电平引发的思考

一、问题背景

昨天写一个开发板的库，写到LCD部分，遇到了几个问题。

相关电路如上图，左上角为单片机，通过硬件SPI连接74HC595，片选信号由74HC138产生，8位并行输出串联两个470欧8P4R排阻后连接到一组排针和LCD接口上。

1602的LCD一共16根引脚，其中数据有11根，把LCD连接到595上是迫不得已，单片机没有那么多IO口。这是一个不好的设计，但我已经焊接完了才发现问题。

问题有两个：

其一，595只能串行输入并行输出，但LCD模块有一个读取指令，检测LCD是否忙，并且这是一个必要的操作，然而单片机不能直接读取；

其二，我在每次写操作前都等待LCD进入空闲状态，但LCD只显示大约一半的字符，而且不固定。

 

二、解决方案

第一个问题，我规定用户要连接一根线，在初始化时作为参数传入：

void lcd_init(pin_t _exout7);

第二个问题，我在每次读取之前把74HC595输出置为高电平，然后就正常工作了：

exout_write(1 << 7); // LCD module is weak in pulling up

现在回想起来，第二个问题与解决方案之间的联系有些微妙。

 

三、解决过程

作为一块开发板，板上的许多net都引出了排针，可以用杜邦线连接起来。正好，595输出是在串联电阻后才接到LCD上的，两个输出不会冲突，并且这个net是有引出的，同时单片机也引出了GPIO，于是第一个问题的解决方案就很显而易见了——连起来。相应地程序中也要调用这个GPIO上的读取操作。

而第二个问题的解决就颇费周折。在单片机可以读取LCD忙状态以后，我在程序中每次写入前等待LCD进入空闲，理应能正常工作，然而并没有。

我先尝试加入延时，在写入过程中加入多个1ms延时，发现可以正常工作。然后我试着消除尽可能多的延时，并降低延时长度，发现只要LCD的E引脚的上升沿之前有10000次for循环延时就行，反之则不行。这种延时的解决方案远不能让我满意。

在E引脚的上升沿同时，LCD读取引脚电平并开始执行操作，在此之前一定要有延时。一个可能性是信号传输有延迟，但这里需要的最小延时有亚毫秒级，排除。另一个可能性就是忙状态电平读取错误，把表示忙状态的高电平读成了低电平。

之前在解决第一个问题的过程中，利用了595和LCD之间的电阻，它的存在让两个输出不冲突。但是这个电阻只有470欧，如果两端一个高电平一个低电平，会有10mA的电流，对于74HC595等CMOS IC，这个电流让电压偏离理想值不会超过1V，但是对别的IC就不一定了。

一个4引脚的RGB LED灯有共阴和共阳两种连接方式，我曾疑惑为什么要有两种，查阅资料后得知，比较老的IC，比如51，是使用TTL工艺制造的，端口sink电流能力强而source电流的能力弱，所以如果要用引脚驱动LED，一般会把正极接到VCC，串联电阻后接到引脚上，对于RGB的来说就是用共阳了。

下面两张图分别是TI的74HC00和74LS00的datasheet的截图，分析数据可以得出，前者输出低电平能力稍强，还是比较对称的，而后者明显不对称。

在这个问题中，LCD模块输出的source电流能力很弱，在5V电源下，当595输出低，LCD输出高时，后者端口上电压为1.1V；当595输出高，LCD输出低时，后者端口上电压也是1.1V；两个电压都会被单片机判定为低电平。

分析至此，就不难得出解决方案了——在读取之前把595的输出置为高电平，然后就能正确地读到LCD的输出了。

 

四、思考

这是一个不难的问题，我也顺利解决了，但是解决问题的思路与过程还是让我挺有收获的。

如果我在画原理图之前认真读datasheet，就会知道LCD也有读取的操作，就不会有后面的问题了。所以，以后做开发的过程中，要认真读datasheet；表面上看起来只有输出属性的设备也可能需要输入，不要因为一个设备是输出设备就把它挂在纯输出口上。

如果我在画原理图时把LCD直接与单片机相连接，也不会有后面的问题。而在这块开发板上，595连接了数码管、LCD与排针3种设备，这种复用方式是不好的，应该尽量避免；宁愿多加几个IC，或者换一个IO更多的单片机，虽然成本高了，但时间也省下来了。

在开发板上放这块595的最初目的，是为了给用户学习时序，学会根据datasheet来写程序，想着初学者也就会玩玩LED，为了方便用户就加上了排阻，就算输出要用作别的，串联的电阻也人畜无害。后来才把数码管和LCD一起连接上去。而LCD没有直接连接595输出而是连接电阻的原因，也只是为了方便布线。没想到最后歪打正着，串联的电阻帮了大忙。也许以后设计的时候应该多考虑一下串联电阻，反正几分钱的电阻四舍五入一下就是不要钱，但没准就有大用处。

最后，也是最重要的一点，电子电路的知识都是融会贯通的。即使是细枝末节、无关紧要的，或是已经obsolete的知识，也可能成为解决某个问题的关键。如果不曾了解共阳和共阴背后的原因，对于一个一直使用CMOS工艺制造的单片机的开发者来说，怎么会从LCD不接收指令一路联想到是TTL驱动能力的问题呢？没准到现在都没解决问题吧！