HC165AG 引脚功能详细解析

HC165AG 是一款高性能的 8 位并行输入串行输出移位寄存器，广泛应用于各种需要数据转换和传输的数字电路系统中。它能够将 8 路并行数据转换为串行数据进行传输，从而有效减少了所需的引脚数量和布线复杂度，尤其在微控制器与多个传感器或开关阵列接口时，其优势更为明显。理解其每个引脚的功能对于正确设计和调试电路至关重要。本文将对 HC165AG 的引脚功能进行深入、全面的解析，旨在提供一个详尽的参考指南。

1. HC165AG 芯片概述

HC165AG，全称 SN74HC165AG，属于德州仪器（Texas Instruments）的 SN74HC 系列高速 CMOS 器件，该系列以低功耗和高噪声容限为特点。作为一款并行输入、串行输出的移位寄存器，HC165AG 内部集成了 8 个 D 型触发器，这些触发器可以并行加载数据，然后通过串行移位的方式逐位输出。这种设计使其在数据采集、并行到串行数据转换、I/O 扩展以及简化多路输入系统布线等方面具有独特的优势。其主要特点包括但不限于：8 位并行加载能力、串行移位输出、同步时钟输入、异步并行加载控制以及低功耗 CMOS 操作。这些特性使得 HC165AG 在工业控制、汽车电子、消费电子和通信设备等领域拥有广泛的应用前景。其工作电压范围通常较宽，适应多种电源环境，并且具有较高的工作频率，能够满足高速数据传输的需求。

2. HC165AG 引脚功能图

为了更直观地理解 HC165AG 的引脚功能，以下我们将逐一详细介绍每个引脚。通常，HC165AG 采用 16 引脚 SOP 或 DIP 封装，引脚排列遵循行业标准。理解每个引脚的输入/输出特性、电平要求以及其在数据传输过程中的作用是正确使用的前提。

3. 详细引脚功能解析

接下来，我们将对 HC165AG 的每个引脚进行详细的解读，包括其功能、电平要求、在典型应用中的作用以及需要注意的事项。

3.1 引脚1：CLK INH (Clock Inhibit)

• 功能描述： CLK INH，即时钟禁止输入端。这是一个异步高电平有效输入，用于控制时钟信号是否能够进入内部移位寄存器。当 CLK INH 为高电平（逻辑“1”）时，时钟输入（CLK）被禁止，无论 CLK 端如何变化，数据都不会发生移位。换言之，CLK INH 的高电平会冻结移位寄存器中当前的数据状态。当 CLK INH 为低电平（逻辑“0”）时，时钟信号正常通过，移位寄存器在 CLK 的上升沿处进行数据移位操作。

• 电平要求： 逻辑高电平（V_IH_min）和逻辑低电平（V_IL_max），具体数值取决于芯片的工作电压。通常，对于 5V 供电，逻辑高电平通常在 3.5V 以上，逻辑低电平在 1.5V 以下。

• 典型应用： 这个引脚通常用于在数据加载或读取过程中，暂停串行移位操作，以确保数据完整性或进行其他控制操作。例如，在并行数据加载到寄存器之后，在开始串行输出之前，可以通过将 CLK INH 置高来防止意外的移位。在多个 HC165AG 级联时，也可以通过控制 CLK INH 来同步所有寄存器的移位操作。

• 注意事项： CLK INH 是一个异步输入，其状态的改变会立即影响时钟的使能或禁止。在使用时应注意避免在 CLK 正在进行上升沿跳变时改变 CLK INH 的状态，以防止毛刺或不确定的行为。为了确保正确的操作，通常在 CLK 处于稳定状态（高电平或低电平）时改变 CLK INH 的电平。

3.2 引脚2：SER (Serial Input)

• 功能描述： SER，即串行数据输入端。这个引脚是移位寄存器的串行数据输入口。在每个时钟上升沿（当 CLK INH 为低电平且 CLK 处于上升沿时），SER 引脚上的数据位会被移入移位寄存器的第一个（最左侧）位。

• 电平要求： 逻辑高电平（V_IH_min）和逻辑低电平（V_IL_max）。

• 典型应用： SER 引脚主要用于将串行数据链中的数据逐位移入 HC165AG，例如在将多个 HC165AG 芯片进行级联时，前一个芯片的串行输出（Q_H）会连接到后一个芯片的 SER 输入端，从而形成更长的移位寄存器链。这使得我们可以通过少量引脚采集大量并行数据。

• 注意事项： 为了确保正确的数据移位，SER 引脚上的数据必须在 CLK 的上升沿到来之前稳定。数据建立时间（t_su）和数据保持时间（t_h）是关键的时序参数，需要严格遵守数据手册中的要求。如果 SER 数据在 CLK 上升沿附近不稳定，可能会导致数据采样错误。

3.3 引脚3：Q_H (Serial Output)

• 功能描述： Q_H，即串行数据输出端。这个引脚是移位寄存器的末端串行数据输出口。在每个有效的时钟上升沿之后，移位寄存器中最右侧的数据位（即移出寄存器的数据位）会出现在 Q_H 引脚上。值得注意的是，Q_H 的输出通常是反相的，即如果移位寄存器最右侧的位是逻辑“1”，Q_H 会输出逻辑“0”，反之亦然。然而，一些版本或制造商可能提供非反相输出的变体，因此务必查阅具体器件的数据手册。本手册默认按德州仪器标准的 SN74HC165AG 考虑，其 Q_H 通常是其内部最后一位的补码输出。

• 电平要求： 逻辑高电平（V_OH_min）和逻辑低电平（V_OL_max）。

• 典型应用： Q_H 是将 HC165AG 收集到的并行数据串行读出的关键引脚。它通常连接到微控制器的 GPIO 口，或者作为下一个级联移位寄存器的 SER 输入。通过连续的时钟脉冲，可以逐位读取移位寄存器中的全部 8 位数据。

• 注意事项： Q_H 的输出延迟（t_pd）是需要考虑的时序参数，尤其是在高速应用或级联多个芯片时。确保接收端有足够的时间来采样 Q_H 上的数据。如果 Q_H 是反相输出，在软件或硬件层面需要进行相应的反相处理才能得到原始数据。

3.4 引脚4：CLK (Clock Input)

• 功能描述： CLK，即时钟输入端。这是一个同步时钟输入，用于控制数据的移位操作。在 CLK INH 为低电平的情况下，当 CLK 引脚从低电平跳变到高电平（上升沿）时，移位寄存器中的数据会向串行输出方向移位一位。同时，SER 端的数据会被加载到移位寄存器的第一位。

• 电平要求： 逻辑高电平（V_IH_min）和逻辑低电平（V_IL_max）。时钟信号的频率、占空比和上升/下降时间都需要满足数据手册的要求。

• 典型应用： CLK 引脚是 HC165AG 工作的心脏。它通常由微控制器或其他时序控制单元提供。通过控制 CLK 脉冲的数量，可以精确控制移位操作的进行，从而逐位地将并行加载的数据移出。

• 注意事项： CLK 信号必须是干净、无毛刺的方波信号。毛刺可能会导致错误的移位操作。为了确保可靠性，建议在 CLK 信号上添加去耦电容或使用经过良好设计的时钟源。在级联应用中，所有 HC165AG 的 CLK 引脚通常会连接到同一个时钟源，以实现同步移位。

3.5 引脚5, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 14：P1 ~ P8 (Parallel Data Inputs)

• 功能描述： P1 到 P8 是 8 个并行数据输入端。这些引脚用于将并行数据同时加载到移位寄存器中。在并行加载操作发生时（当 PL/LOAD 引脚为低电平），这些引脚上的数据电平会立即被加载到对应的移位寄存器位中。其中，P1 通常对应移位寄存器的第一个位（最左侧），而 P8 对应移位寄存器的第八个位（最右侧）。

• 电平要求： 逻辑高电平（V_IH_min）和逻辑低电平（V_IL_max）。

• 典型应用： 这些引脚是 HC165AG 能够进行并行到串行转换的核心。它们可以连接到开关、传感器、按钮阵列或其他数字输出设备。通过一个并行加载脉冲，可以同时读取这 8 路并行数据。

• 注意事项： 在并行加载操作期间，这些输入引脚上的数据必须是稳定的。数据建立时间（t_su）和数据保持时间（t_h）同样适用于这些并行输入。确保在 PL/LOAD 变为低电平之前，所有并行数据都已稳定，并且在 PL/LOAD 恢复高电平之后，数据保持一段时间，以确保正确的加载。未使用的并行输入建议连接到地或 VCC，以避免浮空导致的噪声干扰或不确定的逻辑状态。

3.6 引脚8：GND (Ground)

• 功能描述： GND，即地端。这是芯片的公共参考电位，所有信号电平都以 GND 为基准。它为芯片内部电路提供负电源连接。

• 电平要求： 通常连接到电路板的公共地线。

• 典型应用： 芯片正常工作的必要条件，必须可靠接地。

• 注意事项： 为了确保芯片的稳定工作和抗干扰能力，GND 引脚应与电源的地线以及其他数字电路的地线良好连接。在地线布局时，应尽量减小地线阻抗，并避免形成大的地线环路，以减少噪声干扰。

3.7 引脚9：PL/LOAD (Parallel Load / Shift)

• 功能描述： PL/LOAD，即并行加载/移位控制端。这是一个异步低电平有效输入。

• 当 PL/LOAD 为低电平（逻辑“0”）时，HC165AG 处于并行加载模式。此时，P1 到 P8 输入端上的数据会被立即加载到移位寄存器中，而时钟输入（CLK）被禁用，移位操作停止。

• 当 PL/LOAD 为高电平（逻辑“1”）时，HC165AG 处于移位模式。此时，并行加载功能被禁用，移位寄存器根据 CLK 和 CLK INH 的状态进行串行移位操作。

• 电平要求： 逻辑高电平（V_IH_min）和逻辑低电平（V_IL_max）。

• 典型应用： PL/LOAD 引脚是控制 HC165AG 工作模式的关键。在读取并行数据时，通常会先将 PL/LOAD 置低，加载数据，然后将 PL/LOAD 置高，再通过 CLK 脉冲将数据串行移出。

• 注意事项： PL/LOAD 是一个异步输入，其状态的改变会立即切换芯片的工作模式。在从并行加载模式切换到移位模式时，确保 CLK INH 在 CLK 信号到来之前已处于正确的状态（低电平），以允许移位操作。在并行加载期间，并行数据必须稳定，并且在 PL/LOAD 从低电平恢复高电平之前保持稳定，以避免数据加载错误。

3.8 引脚15：~Q_H (Complementary Serial Output)

• 功能描述： ~Q_H，即串行数据互补输出端（或反相串行输出）。这个引脚是 Q_H 的非反相输出，或者说它直接输出移位寄存器最右侧位的数据。如果 Q_H 是内部末端位数据的补码输出，那么 ~Q_H 就是末端位数据的原码输出。在某些数据手册中，此引脚可能被标记为 Q_H，而之前的引脚3可能是 Q_H_bar 或 Q_H_complement。因此，在使用前务必仔细查阅具体器件的数据手册，以确认其确切的输出特性。本手册根据常见命名习惯，认为其是Q_H的互补输出，即与Q_H逻辑相反。

• 电平要求： 逻辑高电平（V_OH_min）和逻辑低电平（V_OL_max）。

• 典型应用： 提供了与 Q_H 相反的输出，为用户提供了更大的灵活性。例如，当接收端需要非反相数据时，可以直接使用 ~Q_H，而无需在软件或硬件中额外进行反相处理。在某些特定应用场景下，同时需要正反相信号时，这个引脚也提供了便利。

• 注意事项： 与 Q_H 类似，~Q_H 的输出延迟（t_pd）也是一个需要考虑的时序参数。同样，务必确认所使用的 HC165AG 版本中 ~Q_H 的确切定义，以避免误解。

3.9 引脚16：VCC (Positive Supply Voltage)

• 功能描述： VCC，即正电源电压输入端。这是芯片的电源供应引脚，提供芯片正常工作所需的正电压。

• 电平要求： 根据 HC165AG 的具体型号，VCC 的工作电压范围通常在 2V 到 6V 之间（例如，对于 SN74HC165AG，典型工作电压为 5V，但也可在更宽泛的电压范围内工作）。务必遵循数据手册中的推荐工作电压范围。

• 典型应用： 芯片正常工作的必要条件，必须提供稳定的电源。

• 注意事项： 务必在 VCC 引脚附近放置一个 0.1uF 或 0.01uF 的去耦电容，并尽可能靠近芯片引脚，用于滤除电源噪声，提供稳定的电源供应。在高频应用中，去耦电容的放置和选择对系统稳定性至关重要。电源电压应稳定，不应超过最大额定值，否则可能导致芯片损坏。

4. HC165AG 工作模式与时序

了解 HC165AG 的引脚功能后，进一步深入理解其工作模式和时序是正确应用的关键。HC165AG 主要有两种操作模式：并行加载模式和串行移位模式。

4.1 并行加载模式

当 PL/LOAD 引脚为低电平时，HC165AG 进入并行加载模式。在此模式下，8 路并行输入 P1 到 P8 上的数据会被立即（异步地）加载到对应的内部 D 型触发器中。这意味着，一旦 PL/LOAD 变为低电平，无论时钟（CLK）的状态如何，并行输入的数据都会被捕获。在并行加载期间，时钟输入（CLK）和时钟禁止（CLK INH）引脚都被忽略，不会引起任何移位操作。这个模式通常用于在开始串行读取之前，将外部并行数据一次性地捕获到寄存器中。例如，当微控制器需要读取多个按钮的状态时，可以将所有按钮连接到 P1-P8，然后通过一个短暂的低电平 PL/LOAD 脉冲将所有按钮状态加载到 HC165AG 内部。

4.2 串行移位模式

当 PL/LOAD 引脚为高电平时，HC165AG 进入串行移位模式。在此模式下，移位寄存器通过时钟输入（CLK）和时钟禁止（CLK INH）引脚进行同步移位操作。

• 如果 CLK INH 为低电平，则允许时钟信号通过。在 CLK 的每一个上升沿，移位寄存器中的数据会向串行输出方向移动一位。同时，SER 引脚上的数据会被移入移位寄存器的第一位。

• 如果 CLK INH 为高电平，则时钟信号被禁止，移位寄存器中的数据会保持不变，不会发生移位。这种情况下，即使 CLK 引脚有跳变，数据也不会移动。

这种模式用于将内部存储的 8 位并行数据逐位地通过 Q_H（或 ~Q_H）引脚输出。微控制器通常会提供一系列时钟脉冲，并在每个脉冲后读取 Q_H 上的数据，从而完整地读取 8 位并行信息。

4.3 时序考量

在实际应用中，理解并遵守 HC165AG 的时序参数至关重要，以确保数据传输的正确性和可靠性。主要的时序参数包括：

• 建立时间 (t_su)：指在时钟（CLK）或控制信号（如 PL/LOAD）的有效沿到来之前，数据输入（P1-P8 或 SER）必须保持稳定的最短时间。如果数据在这个时间内不稳定，可能会导致数据捕获错误。

• 保持时间 (t_h)：指在时钟（CLK）或控制信号的有效沿到来之后，数据输入（P1-P8 或 SER）必须保持稳定的最短时间。与建立时间类似，不满足保持时间要求也可能导致数据错误。

• 传播延迟 (t_pd)：指从时钟（CLK）或控制信号的有效沿到来，到输出（Q_H 或 ~Q_H）稳定变化所需的时间。这个参数决定了芯片的响应速度，在高速系统中尤为重要。

• 时钟频率 (f_max)：芯片所能承受的最高时钟频率。超过这个频率可能导致内部逻辑无法及时响应，从而产生错误。

• 脉冲宽度 (t_w)：时钟脉冲（高电平或低电平）必须持续的最短时间。

这些参数的具体数值会因芯片型号、工作电压和温度的不同而异，因此务必查阅所使用的 HC165AG 的数据手册，并严格遵守其中的规范。在设计电路和编写控制代码时，需要仔细考虑这些时序参数，以确保时序裕量充足，系统能够稳定运行。

5. HC165AG 典型应用场景

HC165AG 因其并行输入串行输出的特性，在多种数字系统中都有广泛应用。以下列举几个典型的应用场景：

5.1 I/O 扩展

这是 HC165AG 最常见的应用之一。当微控制器（MCU）的 GPIO 资源有限，但需要读取大量并行输入（如多个按钮、开关状态、传感器信号等）时，HC165AG 可以极大地扩展 MCU 的输入能力。通过将 8 个输入连接到 HC165AG 的 P1-P8 引脚，MCU 只需要使用 3-4 个引脚（PL/LOAD, CLK, SER, 和可选的 CLK INH）就可以读取这 8 路并行数据。这种方式显著节省了 MCU 的宝贵 I/O 资源，并简化了硬件布线。例如，在一个需要监测数十个键盘按键的设备中，通过多片 HC165AG 级联，可以使用很少的 MCU 引脚来扫描所有按键。

5.2 多通道数据采集

在数据采集系统中，经常需要同时采样多个模拟或数字信号。虽然 HC165AG 本身是数字移位寄存器，但它可以与模数转换器（ADC）或比较器结合使用，实现多通道数据的并行采集。例如，8 路开关的通断状态可以并行输入到 HC165AG，然后通过串行方式传输给 MCU 进行处理。在更复杂的系统中，如果每个通道的传感器输出是数字信号（例如，高低电平表示某种状态），HC165AG 可以作为这些传感器数据的集中器。

5.3 节省布线资源

在大型电路板或模块间数据传输中，并行传输需要大量的导线，这会增加布线复杂度和成本，同时也容易受到电磁干扰。HC165AG 能够将并行数据转换为串行数据，通过一根或几根导线进行传输，显著减少了所需的布线资源。这在空间受限或需要长距离数据传输的应用中尤其有用。例如，在分布式控制系统中，一个中央控制器可能需要从多个远程节点获取大量状态信息，使用 HC165AG 进行串行传输可以大大简化连接。

5.4 级联应用

当需要处理超过 8 位的并行数据时，可以方便地将多个 HC165AG 芯片进行级联。通常，前一个 HC165AG 的串行输出 Q_H（或 ~Q_H）连接到后一个 HC165AG 的串行输入 SER。所有芯片的 PL/LOAD 和 CLK 引脚通常并联连接到同一个控制信号源，实现同步的并行加载和移位操作。通过这种方式，可以轻松地构建 16 位、24 位甚至更长的并行输入移位寄存器，以满足更大规模的数据采集需求。例如，需要读取 32 个开关状态的系统，可以使用 4 片 HC165AG 级联。

5.5 状态机和顺序控制

虽然不是其主要功能，但在某些简单的状态机或顺序控制设计中，HC165AG 也可以作为输入状态的捕获器。通过并行加载特定状态数据，然后通过移位来检查或触发后续操作。这在一些逻辑控制和自动化任务中可以发挥作用，尽管通常会有更专用的器件来完成这些复杂的逻辑。

6. HC165AG 与微控制器的接口

HC165AG 与微控制器（MCU）的接口是其最典型的应用场景之一。以下以一个常见的接口示例来说明其连接和控制方法。

6.1 硬件连接

假设我们使用一个常见的微控制器（如 Arduino、STM32 等），需要读取 8 个按钮的状态。

• VCC：连接到 MCU 的 3.3V 或 5V 电源。

• GND：连接到 MCU 的地。

• P1 ~ P8：连接到 8 个按钮。按钮的另一端通常连接到地，并通过上拉电阻连接到 VCC，当按钮按下时，引脚电平为低；松开时为高。或者直接连接到数字信号源。

• PL/LOAD：连接到 MCU 的一个 GPIO 引脚，设置为输出模式，用于控制并行加载。

• CLK：连接到 MCU 的一个 GPIO 引脚，设置为输出模式，用于提供移位时钟。

• SER：在读取并行数据时，通常不需要连接。如果将 HC165AG 级联，SER 会连接到前一个芯片的 Q_H。

• Q_H：连接到 MCU 的一个 GPIO 引脚，设置为输入模式，用于读取串行数据。

• CLK INH：通常连接到地（使其始终使能时钟），或者连接到 MCU 的一个 GPIO 引脚，设置为输出模式，用于更精细地控制时钟。为了简化，在许多并行数据读取应用中，它直接接地。

6.2 软件控制流程

以下是使用微控制器读取 HC165AG 数据的典型软件控制流程：

1. 初始化 GPIO：将连接到 PL/LOAD 和 CLK 的 MCU 引脚设置为输出模式，将连接到 Q_H 的 MCU 引脚设置为输入模式。

2. 设置 CLK INH：如果 CLK INH 连接到 MCU 的 GPIO，将其设置为低电平，以允许时钟操作。如果它直接接地，则此步骤无需。

3. 并行加载数据：

• 将 PL/LOAD 引脚设置为低电平，持续一小段时间（例如，几十纳秒到几微秒），以确保并行数据被可靠地加载到 HC165AG 内部寄存器。

• 将 PL/LOAD 引脚设置为高电平，表示进入移位模式。

4. 串行读取数据：

• 将 CLK 引脚设置为高电平，等待一小段时间（时钟高电平持续时间）。

• 从 Q_H 引脚读取数据。将读取到的位存储到一个变量或数组中。请注意，如果 Q_H 是反相输出，需要进行逻辑反相操作（data_bit = !digitalRead(Q_H_PIN);）。

• 将 CLK 引脚设置为低电平，等待一小段时间（时钟低电平持续时间）。

• 创建一个循环，循环 8 次（因为有 8 位数据）。

• 在每次循环中：

• 至此，8 位数据已全部读取完毕。通常，HC165AG 的数据是“最左侧”的位（即 P1 上的数据）先移出，因此读取到的数据顺序可能与你期待的从 P1 到 P8 的顺序相反，可能需要进行位序调整。

6.3 软件代码示例（概念性伪代码）

// 定义连接HC165AG的MCU引脚
#define PL_LOAD_PIN   GPIO_PIN_X
#define CLK_PIN       GPIO_PIN_Y
#define Q_H_PIN       GPIO_PIN_Z
#define CLK_INH_PIN   GPIO_PIN_A // 如果未使用或直接接地，则可忽略

void setup() {
  // 初始化GPIO
  pinMode(PL_LOAD_PIN, OUTPUT);
  pinMode(CLK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(Q_H_PIN, INPUT);
  // 如果CLK_INH连接到MCU，则初始化
  // pinMode(CLK_INH_PIN, OUTPUT);
  // digitalWrite(CLK_INH_PIN, LOW); // 使能时钟
}

unsigned char read_hc165ag_data() {
  unsigned char received_data = 0;

  // 1. 并行加载数据
  digitalWrite(PL_LOAD_PIN, LOW);   // 启用并行加载
  delayMicroseconds(5);             // 保持低电平足够时间，根据数据手册调整
  digitalWrite(PL_LOAD_PIN, HIGH);  // 禁用并行加载，进入移位模式

  // 2. 串行读取数据
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(CLK_PIN, HIGH);    // CLK 上升沿
    delayMicroseconds(1);           // 保持高电平
    
    // 从Q_H读取当前位，并根据需要进行反相
    // 假设Q_H是原始数据的反相输出
    if (!digitalRead(Q_H_PIN)) {
      received_data |= (1 << (7 - i)); // 将位放入正确的位置，假设P1是最高位
    } else {
      // 0
    }
    
    digitalWrite(CLK_PIN, LOW);     // CLK 下降沿
    delayMicroseconds(1);           // 保持低电平
  }
  return received_data;
}

void loop() {
  unsigned char button_states = read_hc165ag_data();
  // 对读取到的button_states进行处理
  // 例如：
  if (button_states & (1 << 0)) { // 检查P8（如果P8是最低位）
    // Button P8 is pressed
  }
  // 或者
  if (button_states & (1 << 7)) { // 检查P1（如果P1是最高位）
    // Button P1 is pressed
  }
  delay(100); // 延时一段时间再次读取
}

重要提示：

• 上述伪代码中的 delayMicroseconds() 的具体时间需要根据 HC165AG 的数据手册来确定，确保满足建立时间、保持时间、脉冲宽度和传播延迟的要求。

• 数据位的顺序 ((7 - i)) 取决于你是希望 P1 是最高位还是最低位，以及 HC165AG 的串行输出顺序。通常，P1 上的数据是第一个被移出的。

7. 级联 HC165AG 拓展应用

当 8 位输入不足以满足需求时，HC165AG 芯片的级联功能显得尤为重要。通过级联，我们可以方便地扩展并行输入通道的数量，而无需增加微控制器太多的 GPIO 引脚。

7.1 级联原理

级联 HC165AG 的基本原理是将前一个芯片的串行输出（Q_H 或 ~Q_H）连接到下一个芯片的串行输入（SER）。所有级联芯片的并行加载（PL/LOAD）和时钟（CLK）引脚通常连接在一起，由微控制器统一控制。

以两个 HC165AG 芯片（U1 和 U2）为例，组成一个 16 位并行输入寄存器：

• U1 (Master/First Chip)：负责接收 P1_1 到 P8_1 的 8 位并行数据。

• U2 (Slave/Second Chip)：负责接收 P1_2 到 P8_2 的另外 8 位并行数据。

连接方式：

• 电源和地：U1 和 U2 的 VCC 和 GND 分别连接到系统的 VCC 和 GND。

• 并行输入：

• U1 的 P1 到 P8 连接到第一组 8 位并行数据源。

• U2 的 P1 到 P8 连接到第二组 8 位并行数据源。

• PL/LOAD：U1 和 U2 的 PL/LOAD 引脚连接在一起，并连接到微控制器的同一个 GPIO 引脚。

• CLK：U1 和 U2 的 CLK 引脚连接在一起，并连接到微控制器的同一个 GPIO 引脚。

• CLK INH：U1 和 U2 的 CLK INH 引脚连接在一起，并连接到微控制器的同一个 GPIO 引脚，或者直接接地。

• 串行连接：U1 的 Q_H（或 ~Q_H，取决于其输出特性）连接到 U2 的 SER 引脚。

• 最终串行输出：U2 的 Q_H（或 ~Q_H）连接到微控制器的串行数据输入引脚。

7.2 级联数据读取流程

当级联了 N 个 HC165AG 芯片时，读取数据的总位数将是 8 * N 位。读取流程与单个芯片类似，但需要更长的移位操作：

1. 并行加载所有芯片：将所有芯片的 PL/LOAD 引脚拉低，加载所有并行数据。然后将其拉高，进入移位模式。

2. 串行移位并读取数据：

• 通过微控制器控制 CLK 引脚，发送 8 * N 个时钟脉冲。

• 在每个时钟脉冲的有效沿之后，从最后一个 HC165AG 芯片（即最终连接到微控制器的那个芯片）的 Q_H 引脚读取一个数据位。

• 数据通常是最低有效位（或最高有效位，取决于级联顺序和具体芯片的移位方向）先从最后一个芯片移出。你需要根据电路设计来确定数据的正确顺序。例如，如果 P1 是最左侧（最先移出），P8 是最右侧（最后移出），那么第一个移出的将是U2的P1，然后U2的P2...U2的P8，接着是U1的P1...U1的P8。

7.3 级联应用中的注意事项

• 时序同步：所有级联芯片的 PL/LOAD 和 CLK 引脚必须同步操作，以确保数据加载和移位的正确性。

• 数据顺序：理解级联后数据输出的顺序非常重要。通常，距离微控制器最远的芯片的数据会先被移入，而距离微控制器最近的芯片（也就是最终输出数据的芯片）的数据会先被移出。例如，如果你有 A -> B -> C 三个芯片级联，微控制器从 C 读取数据，那么 C 的数据会先被读出，然后是 B 的数据，最后是 A 的数据。在软件中需要正确地处理这种位序。

• 时钟频率和传播延迟：级联的芯片数量越多，整个链路的传播延迟就越大。这意味着微控制器读取每个数据位后需要等待更长的时间才能确保数据稳定，或者需要降低时钟频率。在高频应用中，这可能是需要仔细考虑的因素。

• 电源去耦：每个 HC165AG 芯片的 VCC 引脚附近都应放置独立的去耦电容，以确保稳定的电源供应并抑制噪声。

• 总线负载：当多个芯片共享 CLK 和 PL/LOAD 总线时，需要考虑总线驱动能力。如果芯片数量很多，可能需要增加总线缓冲器以确保信号完整性。

8. HC165AG 的优缺点

8.1 优点

• 节省 I/O 资源：这是 HC165AG 最显著的优点。通过将 8 路并行输入转换为串行输出，它极大地减少了微控制器所需的 GPIO 引脚数量，从而可以将这些宝贵的引脚用于其他功能，或者选择成本更低的微控制器。

• 简化布线：减少了并行传输所需的导线数量，降低了 PCB 布线复杂度，尤其在多路输入和长距离传输场景下，这一优势更加突出。更少的导线意味着更小的板面积和更低的制造成本。

• 易于级联扩展：HC165AG 易于级联的特性使其能够轻松应对大量并行输入的需求，无需重新设计复杂的逻辑电路。通过简单的串行连接，可以扩展到任意数量的输入通道。

• 标准化和可靠性：作为一款广泛应用的逻辑芯片，HC165AG 遵循行业标准，具有成熟的制造工艺和高可靠性。它通常具有良好的噪声容限和较宽的工作电压范围，适用于各种工业和消费电子环境。

• 成本效益：与使用更复杂的微控制器或专用 ASIC 相比，HC165AG 是一种经济高效的解决方案，尤其适用于只需要简单并行到串行转换的应用。

8.2 缺点

• 串行传输速度限制：并行数据转换为串行数据传输意味着数据传输需要多个时钟周期，而不是一个周期完成。这会引入一定的延迟，对于对实时性要求极高的应用，可能需要考虑更高速度的解决方案或更并行化的设计。

• 时序复杂性：虽然接口简单，但在高速或级联应用中，正确理解和满足 HC165AG 的建立时间、保持时间、传播延迟等时序参数是关键。不正确的时序可能导致数据错误或系统不稳定。对于初学者来说，这可能需要一定的学习曲线。

• 占用微控制器处理时间：微控制器需要通过软件循环来生成时钟脉冲并逐位读取数据。这会占用微控制器的一部分 CPU 时间。如果系统有大量其他实时任务，这可能会成为性能瓶颈。相比之下，使用 DMA（直接内存访问）等技术可以直接从并行端口读取数据，但 HC165AG 不支持 DMA。

• 不适合高速并行输出：HC165AG 是并行输入串行输出寄存器，它无法将串行数据转换为并行输出。如果需要并行输出，通常会使用如 74HC595 等串行输入并行输出移位寄存器。

• 可能需要外部拉电阻：如果与按钮或开关连接，通常需要外部上拉或下拉电阻来确保引脚在非按下状态下的确定电平，增加了外部元器件数量。

9. HC165AG 常见问题与故障排除

在使用 HC165AG 时，可能会遇到一些常见问题。以下是一些常见问题及其故障排除建议：

9.1 读取数据不正确或不稳定

• 检查电源和地连接：确保 VCC 和 GND 引脚连接正确，并且电源电压稳定在推荐范围内。检查去耦电容是否放置正确且容量合适。不稳定的电源是导致数字电路工作异常的常见原因。

• 检查时钟信号：使用示波器检查 CLK 信号是否是干净的方波，是否存在毛刺、抖动或不符合数据手册的时钟频率、脉冲宽度要求。时钟信号的质量对移位寄存器的工作至关重要。

• 检查 PL/LOAD 时序：确保并行加载脉冲（PL/LOAD 低电平持续时间）满足数据手册的要求。在并行加载期间，并行输入数据必须稳定，并满足建立时间和保持时间要求。

• 检查数据输入时序：在移位模式下，确保 SER 引脚上的数据在 CLK 上升沿到来之前稳定（建立时间）并持续足够长的时间（保持时间）。

• 检查输出读取时序：确保微控制器在 CLK 上升沿之后，Q_H（或 ~Q_H）上的数据稳定后才进行读取。考虑 Q_H 的传播延迟。

• 浮空引脚：未使用的并行输入引脚是否浮空？浮空引脚容易受到噪声干扰，导致不确定的逻辑状态。建议将未使用的并行输入引脚连接到 VCC 或 GND。

• 级联问题：如果是级联应用，检查前一个芯片的 Q_H 是否正确连接到后一个芯片的 SER，并且所有芯片的 CLK 和 PL/LOAD 是否同步。数据读取顺序是否与软件中的处理逻辑一致？

9.2 芯片发热

• 电源电压过高：检查 VCC 电压是否在推荐的工作电压范围之内。电压过高会导致芯片功耗增加，引起发热甚至损坏。

• 输出负载过大：检查 Q_H（或 ~Q_H）引脚的输出是否驱动了过大的负载（例如，驱动电流超过了芯片的输出能力）。过大的负载会导致输出晶体管过热。

• 短路：检查引脚之间或引脚与电源/地之间是否存在短路。短路会引起大电流，导致芯片严重发热。

• 内部损坏：如果以上检查都没有问题，可能是芯片内部已损坏。尝试更换新的芯片进行测试。

9.3 无法进行并行加载

• PL/LOAD 引脚连接或控制错误：确保 PL/LOAD 引脚正确连接到控制源，并且微控制器能够正确地将它拉低和拉高。检查 PL/LOAD 信号的电平是否满足逻辑低电平和逻辑高电平的要求。

• PL/LOAD 脉冲宽度不足：并行加载脉冲的低电平持续时间必须满足数据手册的最小脉冲宽度要求。如果脉冲太短，数据可能无法被正确加载。

• 并行输入数据不稳定：在 PL/LOAD 变为低电平期间，P1-P8 上的数据必须稳定。如果数据在此期间变化，可能导致加载错误。

9.4 无法进行串行移位

• PL/LOAD 处于低电平：确保 PL/LOAD 引脚处于高电平，HC165AG 才能进入移位模式。如果 PL/LOAD 始终为低电平，移位操作将被禁止。

• CLK INH 处于高电平：确保 CLK INH 引脚处于低电平，以使能时钟。如果 CLK INH 始终为高电平，时钟将被禁止，移位操作无法进行。

• CLK 信号丢失或不正确：检查 CLK 引脚是否有有效的时钟脉冲输入。时钟频率、占空比和上升/下降时间都需要符合要求。

• 芯片内部故障：如果所有控制信号都正确，但仍然无法移位，可能是芯片内部逻辑损坏。

10. 总结与展望

HC165AG 作为一款经典的 8 位并行输入串行输出移位寄存器，凭借其高效的 I/O 扩展能力、简洁的布线需求以及良好的级联特性，在数字系统设计中占据着重要的地位。它有效解决了微控制器 I/O 资源有限的问题，使得设计师能够以较小的成本和复杂度实现多通道数据的采集和传输。

通过本文对 HC165AG 各个引脚功能的详细解析，我们深入理解了其工作原理、两种主要操作模式（并行加载和串行移位）以及关键的时序参数。掌握这些知识是正确设计和调试基于 HC165AG 的电路的基础。同时，我们还探讨了 HC165AG 在 I/O 扩展、多通道数据采集、节省布线和级联应用等多个典型场景中的具体应用，并提供了与微控制器接口的软硬件实现示例。

然而，我们也应认识到 HC165AG 的局限性，例如其串行传输固有的速度限制以及对微控制器 CPU 时间的占用。在对实时性要求极高或需要超高速数据传输的现代复杂系统中，可能需要考虑更先进的通信协议（如 SPI、I2C）或更集成的解决方案。尽管如此，在许多中低速、成本敏感且对 I/O 扩展有需求的场合，HC165AG 依然是极其有效和实用的选择。

展望未来，随着物联网、智能家居和工业自动化等领域的快速发展，对传感器数据采集和设备状态监控的需求将持续增长。HC165AG 及其衍生的移位寄存器家族将继续在这些领域发挥重要作用，特别是在传感器网络边缘节点、HMI（人机界面）输入模块以及传统设备的现代化改造中。理解并善用这类基础逻辑器件，将有助于工程师们构建出更高效、更紧凑、更具成本效益的电子系统。