74HC165：高速CMOS版并行输入串行输出芯片详解

引言

在数字电路和嵌入式系统设计中，输入输出（I/O）端口的扩展是一个常见且重要的需求。当微控制器或微处理器的I/O端口数量有限，而需要连接大量的外部设备，如传感器、开关、键盘等时，就需要采用I/O扩展技术。74HC165作为一种高速CMOS版的并行输入串行输出芯片，凭借其独特的性能和功能，在众多I/O扩展方案中脱颖而出，被广泛应用于各种数字系统、数据采集与控制领域。本文将对74HC165芯片进行全面、深入的介绍，包括其基本概念、工作原理、引脚功能、特性参数、应用场景以及编程控制方法等方面。

74HC165基本概念

芯片概述

74HC165是一款高速CMOS器件，遵循JEDEC标准no.7A，引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。它是一种8位并行输入、串行输出的移位寄存器，主要用于将多路并行数据信号转换为单路串行数据信号，从而减少数据传输所需的线路数，实现I/O端口的扩展。该芯片具有高速、低功耗、可靠性高等特点，工作电压范围为2.0 - 6.0V，能够适应不同的电源环境，广泛应用于5V和3.3V微处理器系统中。

核心功能

74HC165的核心功能是实现并行数据到串行数据的转换。在正常工作时，它首先通过并行输入端口接收外部的8位数据，然后将这些数据存储在内部的移位寄存器中。接着，在串行时钟信号的控制下，数据从串行输出端口逐位输出，完成并行到串行的转换过程。这种转换方式特别适合在需要较少的I/O引脚实现大量数据传输的应用场景中，例如数据采集系统、通信接口扩展、键盘扫描电路等。

工作原理

并行数据加载

74HC165的并行数据加载过程由移位控制/置入控制信号（SH/LD）控制。当SH/LD引脚为低电平时，芯片处于并行加载模式，此时从D0到D7这8个并行数据输入引脚的状态会被瞬间锁存到内部的移位寄存器中。这个过程是异步的，即不需要时钟信号的配合。一旦数据被锁存，即使外部数据输入引脚的状态在后续发生变化，也不会影响已经存储在寄存器中的数据，从而避免了动态干扰导致的错码问题。

串行数据移位输出

当SH/LD引脚变为高电平时，芯片进入串行移位输出模式。此时，在串行时钟信号（CLK）的上升沿作用下，存储在移位寄存器中的数据会逐位向右移动。最高位（D7）的数据会从串行输出引脚（QH）输出，同时最低位（D0）的位置会被串行数据输入引脚（SER）的数据填充（如果SER引脚有数据输入的话）。通过连续提供时钟脉冲，就可以将寄存器中的8位数据依次串行输出。

级联扩展

一片74HC165可以扩展出8个输入口，如果需要更多的输入通道，可以通过级联的方式将多片74HC165连接在一起。级联的方法是将前一片芯片的QH引脚连接到后一片芯片的SER引脚，同时将所有芯片的SH/LD和CLK引脚分别连接在一起。这样，在并行加载数据时，所有芯片会同时将各自的并行数据锁存到内部寄存器中；在串行移位输出时，数据会从最后一片芯片开始，依次通过前一片芯片的QH引脚输出，最终形成一个连续的串行数据流。通过这种方式，理论上可以级联任意数量的74HC165芯片，实现大量输入通道的扩展。

引脚功能

主要引脚介绍

74HC165芯片共有16个引脚，每个引脚都有其特定的功能，下面将对主要引脚进行详细介绍。

1. D0 - D7（并行数据输入引脚）：这8个引脚用于接收外部的并行数据输入。当SH/LD引脚为低电平时，这些引脚的状态会被锁存到内部的移位寄存器中。

2. SH/LD（移位控制/置入控制引脚）：该引脚具有双重功能。当为低电平时，实现并行数据加载功能；当为高电平时，允许数据在时钟信号的控制下进行串行移位输出。

3. CLK（串行时钟输入引脚）：用于提供串行数据移位的时钟信号。在CLK的上升沿作用下，数据会在移位寄存器中逐位移动。

4. SER（串行数据输入引脚）：在级联应用中，该引脚用于接收前一片芯片输出的串行数据，并将其填充到本片芯片移位寄存器的最低位。在单片应用中，该引脚可以悬空或根据需要进行其他连接。

5. QH（串行数据输出引脚）：用于输出串行数据。在串行移位输出过程中，移位寄存器中的最高位数据会从该引脚输出。在级联应用中，该引脚连接到下一片芯片的SER引脚。

6. !QH（互补串行数据输出引脚）：输出与QH引脚互补的串行数据信号。在一些特定的应用场景中，可能会用到这个互补输出信号。

7. VCC（电源正极引脚）：连接电源正极，为芯片提供工作电压，工作电压范围为2.0 - 6.0V。

8. GND（电源地引脚）：连接电源地，为芯片提供电气参考点。

引脚使用注意事项

在使用74HC165芯片时，需要注意一些引脚的使用细节，以确保芯片能够正常工作。例如，SH/LD引脚在数据加载和移位输出过程中起着关键的控制作用，必须严格按照时序要求进行操作。在并行加载数据前，应先将SH/LD引脚拉低，并保持一定的时间（建立时间），以确保数据能够稳定地锁存到寄存器中；然后，在开始串行移位输出前，再将SH/LD引脚拉高。CLK引脚的时钟信号质量对数据的移位输出也有重要影响，应尽量避免时钟信号的抖动和干扰。此外，对于未使用的引脚，如!QH引脚（在不需要互补输出时），可以根据具体情况进行适当的处理，如悬空或通过上拉电阻或下拉电阻连接到固定的电平。

特性参数

电气特性

74HC165芯片具有一系列重要的电气特性参数，这些参数决定了芯片的性能和适用范围。

1. 供电电压：工作电压范围为2.0 - 6.0V，能够适应不同的电源环境，既可以用于传统的5V系统，也可以用于低电压的3.3V系统。

2. 驱动电流：输出驱动电流为±5.2mA，能够为外部负载提供一定的驱动能力。

3. 传输延迟：在5V供电电压下，传输延迟时间为16ns，这意味着芯片能够快速地响应输入信号的变化，实现高速的数据传输。

4. 最高频率：在5V供电电压下，最高时钟频率可达56MHz，这使得芯片能够在高频率的时钟信号下进行数据移位输出，满足高速数据采集和传输的需求。

5. 逻辑电平：采用CMOS逻辑电平，与TTL逻辑电平兼容，能够方便地与各种数字电路和微处理器进行连接和通信。

环境特性

除了电气特性外，74HC165芯片还具有良好的环境特性，能够在较宽的温度范围内正常工作。其工作温度范围为 - 40℃到 + 85℃，适用于各种恶劣的工业环境和户外应用场景。此外，芯片还具有ESD（静电放电）保护功能，能够有效防止静电对芯片造成的损坏，提高了芯片的可靠性和稳定性。

应用场景

数据采集系统

在数据采集系统中，经常需要采集多个传感器或开关的状态信息。74HC165芯片可以将这些分散的并行数据转换为串行数据，然后通过少量的I/O引脚传输到微控制器中进行处理。例如，在一个工业监控系统中，需要采集多个温度传感器、压力传感器和开关的状态信息，使用74HC165芯片可以将这些传感器的输出信号连接到芯片的并行输入引脚上，然后通过串行输出引脚将数据传输到微控制器中，从而简化了电路连接，提高了系统的可靠性和可维护性。

通信接口扩展

在通信接口扩展方面，74HC165芯片可以用于扩展串行通信端口，提高数据吞吐效率。例如，在一些需要与多个外部设备进行串行通信的系统中，微控制器的串行通信端口数量可能有限，无法满足需求。这时可以使用74HC165芯片将多个并行数据源转换为串行数据流，然后通过一个串行通信端口进行传输，从而实现通信接口的扩展。

键盘扫描电路

键盘扫描是74HC165芯片的另一个常见应用场景。在计算机键盘、控制面板等设备中，通常采用矩阵键盘的设计方式，以减少所需的I/O引脚数量。74HC165芯片可以用于读取矩阵键盘的行和列信号，通过逐位地输入键盘行和列信号到芯片中，按照固定的扫描序列检测是否有按键被按下，并读取相应的按键编码。这种方法能够有效地提高键盘扫描的效率和可靠性，同时节省微控制器的I/O资源。

大型棋盘状态读取

在大型棋盘（如围棋棋盘）的状态读取应用中，74HC165芯片也发挥着重要作用。以19×19的围棋棋盘为例，共有361个交叉点，每个交叉点相当于一个“开关”，有棋子时开关闭合，没棋子时开关断开。如果采用传统的GPIO直连方式，需要大量的I/O引脚，这在实际应用中是不可行的。而使用74HC165芯片，可以将棋盘的行和列信号分别连接到多片芯片的并行输入引脚上，通过级联的方式将所有芯片的串行输出引脚连接在一起，然后通过少量的I/O引脚读取串行数据，从而实现对整个棋盘状态的快速、准确读取。

编程控制方法

初始化GPIO端口

在使用74HC165芯片进行编程控制时，首先需要对微控制器的GPIO端口进行初始化配置。GPIO端口的初始化包括选择合适的端口、设置端口模式和电气特性等步骤。以STM32微控制器为例，可以使用HAL库来初始化GPIO端口。以下是一个简单的示例代码，展示如何初始化一个用于控制SH/LD引脚的GPIO端口：

#include "stm32f1xx_hal.h"

void GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 启用GPIO端口时钟，这里假设使用GPIOC端口
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

    // 配置GPIO端口模式为输出模式，并设置上拉电阻
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13; // 假设使用PC13端口控制SH/LD
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉模式
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

在上述代码中，首先启用了GPIOC端口的时钟，然后配置了PC13引脚为推挽输出模式，并设置了上拉电阻和低速输出。类似地，还需要对用于控制CLK和读取QH引脚状态的GPIO端口进行初始化配置。

数据读取流程

完成GPIO端口初始化后，就可以按照以下流程读取74HC165芯片的数据：

1. 并行数据加载：将SH/LD引脚拉低，保持一段时间（建立时间），使芯片进入并行加载模式，将外部的并行数据锁存到内部寄存器中。然后，将SH/LD引脚拉高，使芯片进入串行移位输出模式。

2. 串行数据移位输出：通过循环提供CLK时钟脉冲，在每个时钟脉冲的上升沿作用下，将寄存器中的数据逐位从QH引脚输出。同时，在每个时钟周期内读取QH引脚的状态，并将其存储到一个变量中，以构建完整的串行数据。

3. 数据处理：读取完所有的串行数据后，可以根据具体的应用需求对数据进行处理，例如解析按键编码、存储传感器数据等。

以下是一个简单的示例代码，展示如何读取单片74HC165芯片的8位数据：

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 定义控制引脚
sbit SH_LD = GPIOC->ODR & GPIO_PIN_13; // 假设PC13控制SH/LD
sbit CLK = GPIOC->ODR & GPIO_PIN_14;   // 假设PC14控制CLK
sbit DATA = GPIOC->IDR & GPIO_PIN_15;  // 假设PC15读取QH数据

// 读取74HC165芯片的8位数据
uint8_t Read_74HC165(void) {
    uint8_t data = 0;
    uint8_t i;

    // 并行数据加载
    SH_LD = 0; // 拉低SH/LD引脚
    HAL_Delay(1); // 保持一段时间（建立时间）
    SH_LD = 1; // 拉高SH/LD引脚

    // 串行数据移位输出
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        data <<= 1; // 左移一位
        CLK = 1; // 拉高CLK引脚
        HAL_Delay(1); // 保持一段时间
        if (DATA) {
            data |= 0x01; // 读取QH引脚状态并存储
        }
        CLK = 0; // 拉低CLK引脚
        HAL_Delay(1); // 保持一段时间
    }

    return data;
}

在上述代码中，首先通过控制SH/LD引脚实现并行数据加载，然后通过循环提供CLK时钟脉冲，逐位读取QH引脚的状态，并将其存储到data变量中，最终返回读取到的8位数据。

级联芯片数据读取

如果使用了多片74HC165芯片进行级联扩展，读取数据的方法与单片类似，只是需要根据级联的芯片数量调整读取的位数。以下是一个简单的示例代码，展示如何读取两片级联的74HC165芯片的16位数据：

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 定义控制引脚
sbit SH_LD = GPIOC->ODR & GPIO_PIN_13;
sbit CLK = GPIOC->ODR & GPIO_PIN_14;
sbit DATA = GPIOC->IDR & GPIO_PIN_15;

// 读取两片级联的74HC165芯片的16位数据
uint16_t Read_Cascade_74HC165(void) {
    uint16_t data = 0;
    uint8_t i;

    // 并行数据加载
    SH_LD = 0;
    HAL_Delay(1);
    SH_LD = 1;

    // 串行数据移位输出
    for (i = 0; i < 16; i++) {
        data <<= 1;
        CLK = 1;
        HAL_Delay(1);
        if (DATA) {
            data |= 0x01;
        }
        CLK = 0;
        HAL_Delay(1);
    }

    return data;
}

在上述代码中，读取数据的流程与单片类似，只是循环次数增加到了16次，以读取两片芯片的16位数据。

总结

74HC165作为一种高速CMOS版的并行输入串行输出芯片，具有独特的性能和功能，在数字电路和嵌入式系统设计中具有广泛的应用。本文详细介绍了74HC165芯片的基本概念、工作原理、引脚功能、特性参数、应用场景以及编程控制方法等方面的内容。通过对其工作原理的深入理解，读者可以掌握如何使用74HC165芯片实现并行数据到串行数据的转换，从而实现I/O端口的扩展。在实际应用中，读者可以根据具体的需求选择合适的芯片数量和连接方式，并按照相应的编程控制方法进行开发，以构建高效、可靠的数据采集和通信系统。

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