Arduino 拓展输出接口

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在前面的文章自己打造一台恩尼格玛密码机中，介绍了使用 Arduino Mega 2560 实现一个简易 Enigma 机的方法。这个型号的 Arduino 单片机拥有 50 多个数字 IO，因此可以妥善地处置按键输入，并控制大量的发光二极管（键盘灯）及数码管。
但是，其它型号的 Arduino 就不一定能完成这个任务了 —— 例如 Arduino Leonardo 只有 20 个数字 IO。那么，有没有办法拓展这些输出接口呢？答案是肯定的。借助于移位寄存器，Arduino 可以将串行信号转为并行，以此通过较少的引脚来控制多路输出。

首先我们来看看一看移位寄存器的工作原理。这里涉及到数字电路中 D 触发器的特性。D 触发器在时钟的上升沿触发，触发后其输出 Q 锁定为此时数据输入引脚 D 的状态，直到下一次触发。

在下图所示的电路中，每一个时钟脉冲后，每个 D 触发器都会把输入的数据「送」到下一级的 D 触发器中。

它的时序图如下：

可以看到，如果同步地将串行数据和时钟信号输入，那么在四个时钟脉冲后，Q0，Q1，Q2，Q3 的输出就正好对应输入的串行数据。换言之，这实现了 4 位的串入并出移位寄存器。

同理，使用 8 个 D 触发器，就能够实现 8 位的移位寄存器。一个典型的解决方案是 74HC595 芯片，它配合 Arduino 用起来非常方便：只需要将 ST_CP（锁存），CP（时钟脉冲）和 DS（串行输入）三个引脚接到单片机上，即可控制 8 位并行输出。
如下图所示，这三个引脚分别接到了 Arduino 的 10，9，8 引脚上。此外还需要将 OE 引脚接低电平，MR 引脚接高电平。

程序写起来也很简单，可以使用内置的 shiftOut 函数。

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int latchPin = 10; //锁存引脚
int clockPin = 9; //时钟引脚
int dataPin = 8; //数据引脚

void shiftRegisterOut(int data) {
  digitalWrite(latchPin, LOW); //将ST_CP口上加低电平让芯片准备好接收数据
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, data);
  digitalWrite(latchPin, HIGH); //将ST_CP这个针脚恢复到高电平
}

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    shiftRegisterOut(i);
    delay(10);
  }
}

更多的例子可以查看官方文档：Serial to Parallel Shifting-Out with a 74HC595