1pin = ingresso e uscita ?

...mancano sempre pin...

Si sa che i microcontroller hanno un numero di pin di I/O variabile tra  poche unità e un centinaio; però, dato che i componenti più economici e "maneggevoli" sono quelli con un numero limitato di pin, da 6 a 28, ci si può trovare, a volte, ad avere bisogno qualche I/O in più rispetto a quelli disponibili. 
Le soluzioni possibili sono diverse: cambiare chip, usandone uno con un maggior numero di pin oppure aggiungere I/O expander su I2C o SPI.
In ogni caso abbiamo un costo e un impegno di superficie dello stampato  superiore e complicazione del circuito che possono essere sensibili.

Abbiamo visto, però, come sia possibile comandare più carichi con un solo pin, espandendo così il numero di uscite disponibili; non c'è una soluzione anche nel caso in cui servano più ingressi o una combinazione di ingressi/uscite maggiore del numero dei pin ?

In effetti esistono possibili soluzioni che permettono di utilizzare un pin sia come input che come output, ricevendo dall'esterno un livello logico e comandando un carico.
Vediamo cosa è possibile fare, vantaggi e svantaggi.

1 PIN digitale = 1 input + 1 output 

Può capitare la necessità di ricevere segnali dall' esterno (contatti, livelli logici) e di dovere comandare carichi con corrente massima fino alla portata del pin (tipicamente 25mA).

Se intendiamo utilizzare un solo pin per entrambe le funzioni, dobbiamo per prima cosa tenere presente che ci sarà una fondamentale limitazione: non è possibile utilizzare contemporaneamente un pin come ingresso e come uscita. Le due azioni sono esercitabili solo in momenti diversi.

E' un limite grave? In effetti potrebbe esserlo molto meno di quanto si possa pensare: in molte applicazioni occorre azionare una uscita in conseguenza di un ingresso, ovvero rilevare lo stato dell'ingresso e poi azionare l'uscita. Questo è un caso in cui un solo pin può effettuare entrambe le funzioni: per un certo periodo sarà un ingresso; una volta arrivato il segnale richiesto, diventerà una uscita per comandare il carico voluto.

Basta realizzare un hardware adeguato, possibile con l'aggiunta di ben poche parti.

Consideriamo ora una uscita che comanda un LED, un opto isolatore, un relay a stato solido o un altro carico all'interno delle possibilità del pin::

Ma effettuiamo ora un merge tra i due schemi:

Si potrà obiettare che, con il pin configurato come ingresso e con S1 aperto, il livello di tensione è stabilito dal partitore formato da R1/R3-LED. Questa tensione potrebbe trovarsi in una zona di indecisione per il port TTL.
Il trucco che permette alla cosa di funzionare consiste nel diodo D1 in serie al LED: tipicamente la caduta di tensione di conduzione del LED è attorno a 2V e quella del diodo attorno a 0.6V. Questo vuol dire che al pin ci sarà, per S1 aperto, una tensione maggiore dei 2.4V necessari perchè il port identifichi un livello alto.

Avvertenza: la tensione di conduzione dei diodi dipende in modo diretto dalla corrente; più è bassa la corrente che lo attraversa, più sarà bassa la tensione ai suoi capi. 
Così, ad esempio, un 1N4148, che dichiara sul foglio dati  una Vf tra 0.6 e 07V a 5mA, che diventa 1V a 100mA, nelle condizioni dello schema qui sopra sarà dell' ordine di 0.4-0.5V. Di questo va tenuto conto nel calcolo per raggiungere il livello di tensione voluta.

In conclusione, avremo il seguente funzionamento:

Pin impostato come ingresso

Il livello del pin sarà determinato dalla situazione di S1.
Il LED sarà sempre spento.

In effetti nel LED passerà comunque una corrente, determinata essenzialmente da R1, ma, dato che il suo valore sarà maggiore di 47k, la corrente risultante sarà tale da non provocare alcun effetto visibile.

 Pin impostato come uscita

Se il livello imposto al pin, configurato come uscita, è basso, il LED sarà spento.
Se imponiamo un livello alto, il LED si accenderà, con una corrente limitata da R3 e dalla cdt sul diodo.

Lo stato di S1 è indifferente; si avrà solo un aumento della corrente erogata dal pin a livello alto quando S1 è chiuso.

Quindi, utilizzeremo la seguente regola:

• Il pin configurato come ingresso riceve il livello logico presente, che dipende solo da S1.
   

• Il LED sarà spento con il pin configurato come ingresso e acceso con il pin configurato come uscita e posto a livello alto.

Dato che è possibile cambiare dinamicamente da programma la direzione dell'I/O, si potrà avere con semplicità un funzionamento "half duplex":

1. il pin è configurato come ingresso: il micro attende un segnale sull'ingresso.

2. Una volta recepito il segnale, si potrà commutare il pin come uscita a livello alto per comandare il carico 

A questo punto, ci può essere la possibilità di continuare a disporre anche della funzione di ingresso. Si potrà portare il pin come input e testarne il livello per breve tempo, dell'ordine delle frazioni di secondo, per poi riportarlo come uscita a comandare il carico.

Questo è possibile solo se il carico può ammettere delle brevi mancanze di alimentazione; ad esempio, se sospendiamo l'uscita per qualche millisecondo ogni secondo per verificare lo stato di S1, non otterremo alcuna differenza nella luminosità del LED. Se ripetiamo con una frequenza maggiore l'operazione in sostanza alimenteremo il LED con un duty cycle diverso dal 100% e questo potrà influire sulla luminosità.

Se il carico è costituito da qualcosa di diverso da un LED, come un opto isolatore, un relè a stato solido e simili, occorrerà verificare caso per caso se la commutazione in/out è possibile e entro che limiti.
Con un clock di 4MHz è possibile invertire la direzione del pin, verificarne lo stato e riportarlo come uscita in una decina di microsecondi, il che costituisce un tempo di mancata alimentazione che molti tipi di carico possono sopportare.

Però, nel minimizzare i tempi di commutazione, occorre tenere presente che i cablaggi e i componenti possono introdurre capacità parassite che rendono necessario un tempo minimo di attesa tra la commutazione e la lettura dello stato dell'ingresso, al di sotto del quale si potranno avere rilevamenti del livello logico ingresso non corretti.

Dal punto di vista pratico:

Un appunto per quanto riguarda i pin.

Non tutti i pin sono uguali.   In generale abbiamo due possibili situazioni come ingressi:

• TTL

• ST

Se nel caso di compatibilità TTL il livello logico alto è 2.4V, nel caso di ST (Schmitt Trigger) il livello riconosciuto come alto è 0.8Vdd: per una Vdd di 5V, si tratta di 4.3V.

Se vogliamo usare il sistema descritto su pin TTL occorrerà che la cdt complessiva del carico sia almeno 2.4V. Se l'ingresso è ST occorrerà 0.8Vdd, che si ottiene o con LED ad alta tensione di conduzione oppure inserendo più LED o diodi in serie.

1 PIN analogico = 1 output + n preselezioni.

Un altro caso che può capitare è quello di avere alcune impostazioni selezionabili da jumper che vanno configurati prima di avviare il dispositivo.
Anche in questo caso possiamo utilizzare un sistema simile al precedente: occorre, questa volta, un pin configurabile come ingresso analogico, ovvero un chip dotato di modulo ADC.

Il trucco consiste nel limitare le tensioni selezionabili dal partitore ad un livello inferiore a quella dello zener; in questo modo il transistor andrà in conduzione solamente quando il pin, configurato come uscita, sarà posto a livello alto.

Ad esempio, per una Vdd di 5V, potremo scegliere R2=R3=10k e R1=30k, il che rende 2V al pin 1 del jumper e 1V al pin 2. Lo zener sarà da 2.7-3V.

Avvertenza: in tutti i casi, un jumper deve essere comunque inserito, altrimenti il livello logico al pin sarà imprevedibile.

Quando il pin è configurato come uscita a livello alto, l'unico effetto dei jumper sarà quello di derivare una corrente verso massa in proporzione al valore selezionato.
In tal senso, è opportuno che la R1 sia non inferiore a 1k, che equivale a 5mA con Vdd di 5V. In generale, più i valori del partitore sono alti, minore sarà la corrente che attraversa le resistenze e quindi il consumo, cosa importante per applicazioni a batteria. 

La precisione del partitore non è importante, ma se si aggiunge il fatto di utilizzare la Vdd come tensione di riferimento della conversione AD, occorre una ragionevole stabilità dell' alimentazione ed eventualmente una taratura dei risultati della conversione rispetto alle tensioni selezionate dal partitore. La cosa comunque non è critica se si mantiene un passo tra le tensioni selezionate abbastanza ampio, in modo da utilizzare attivamente solo i bit più alti del risultato e potendo scartare i meno significativi, il che riduce anche i possibili errori dovuti a rumore indotto.