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用3个GPIO扩展16路串行输出？揭秘移位寄存器的硬核玩法

你有没有遇到过这样的窘境：项目做到一半，MCU的UART口全占满了，GPIO也快捉襟见肘，可功能还得加？换大芯片？成本飙升。加协处理器？PCB空间不够。这时候，一个被很多人“看不上”的小器件——74HC595移位寄存器，反而可能成为破局的关键。

别急着划走。这可不是什么教科书里的老古董，而是一招在真实工业设计中屡试不爽的“以软补硬”神技。今天我们就来拆解：如何用一片几毛钱的移位寄存器，让只有1个串口的MCU，同时控制8个外设，甚至模拟出多路“虚拟串口”。

为什么你会缺串口？现实比想象更骨感

我们总以为MCU有几个UART就够了，但现实是：

• 你要接Wi-Fi模块（占1路）
• 要连蓝牙模组（再占1路）
• 调试需要打印日志（又1路）
• 外部传感器还要通信……

结果呢？STM32F030、ESP32-C3这类高性价比芯片，往往只配1~2个UART。想靠原生接口全接上？门都没有。

更头疼的是，很多“通信”其实根本不需要真正的UART。比如：
- 给数码管发段码
- 控制继电器开关
- 驱动LED点阵

这些操作本质是发送一串并行数据，却因为没引脚，被迫占用宝贵的串口资源。这就有点“杀鸡用牛刀”了。

那有没有办法把“通用IO”变成“准串口”？有——软件模拟 + 移位寄存器打辅助。

移位寄存器不是IO扩展芯片，它是“串行流搬运工”

先澄清一个常见误解：74HC595本身不是串口，它是个“串行输入、并行输出”的数据转接器。你可以把它想象成一条8节车厢的货运列车：

• MCU是调度员，一位一位地把货物（bit）送上车；
• 每来一个时钟脉冲，列车就向前挪一格，把新货装进第一节，其他货依次后移；
• 8位装满后，按下“发车键”（锁存信号），整列车的货物瞬间卸到8个目的地（Q0~Q7）。

整个过程只需要3根线：
-DATA：数据线（送货）
-CLK：时钟线（推进车厢）
-LATCH：锁存线（一键卸货）

就这么简单，8位并行输出到手，成本不到1毛钱。

关键洞察：移位寄存器的价值不在“扩展IO”，而在于把时间维度上的串行操作，转化为空间上的并行控制。这才是它能“扩展串口”的底层逻辑。

真正的妙招：用移位寄存器模拟“多路串行发送”

到这里，很多人以为这就是终点——不就是驱动LED吗？但高手的玩法才刚开始。

设想这样一个需求：你要向4个独立设备广播命令，比如“RELAY_ON”、“DISPLAY_H”、“SENSOR_RESET”……每个设备都通过单独的使能脚触发。传统做法是用4个GPIO分别控制，或者用I2C IO扩展。

但我们换个思路：能不能把这4个控制线当成“4路虚拟串口”的TX线？

答案是可以。只要我们配合定时器，就能实现一种叫“位时间轮询 + 移位寄存器同步输出”的机制。

核心思路：把“位”当成“通道”

假设我们设定波特率为9600bps，每一位持续约104μs。我们可以这样安排：

1. 开一个定时器中断，每104μs触发一次；
2. 在每次中断里，检查4个虚拟串口当前该发哪一位；
3. 把这4位拼成一个字节（bit0对应通道0，bit1对应通道1……）；
4. 用shiftOut()把这个字节一次性推给移位寄存器；
5. 锁存更新，4路输出同步刷新。

你看，原本需要4次独立的GPIO操作，现在被压缩成一次“打包发送”。MCU不再忙于切换引脚，而是由移位寄存器统一承载输出状态。

这就像从“4个快递员各自送货”升级为“1辆厢式货车集中配送”，效率自然提升。

实战代码：一个多通道软件UART发送器

下面这段代码跑在STM32上，实现了4路独立的串行发送通道，仅占用3个GPIO和一个定时器：

#define CHANNEL_COUNT 4 #define BUFFER_SIZE 16 typedef struct { uint8_t buffer[BUFFER_SIZE]; uint8_t head; uint8_t tail; uint8_t busy; } SerialChannel; SerialChannel channels[CHANNEL_COUNT]; // 当前正在发送的位索引（0~9：起始+8数据+停止） static uint8_t bit_pos[CHANNEL_COUNT] = {0}; // 当前待发送字节缓存 static uint8_t tx_data[CHANNEL_COUNT] = {0}; void TIM2_IRQHandler(void) { if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) { TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; // 清除中断标志 uint8_t output_byte = 0; for (int ch = 0; ch < CHANNEL_COUNT; ch++) { if (!channels[ch].busy) continue; uint8_t current_bit = 0; if (bit_pos[ch] == 0) { current_bit = 0; // 起始位 = 0 } else if (bit_pos[ch] <= 8) { current_bit = (tx_data[ch] >> (bit_pos[ch]-1)) & 0x01; } else { current_bit = 1; // 停止位 = 1 } if (current_bit) { output_byte |= (1 << ch); // 第ch位设为高 } bit_pos[ch]++; if (bit_pos[ch] >= 10) { bit_pos[ch] = 0; channels[ch].busy = 0; send_next_byte(ch); // 启动下一字节 } } shiftOut(output_byte); // 所有通道状态一次性输出 } }

配合前面提供的shiftOut()函数，这个系统就能稳定地以9600bps向4个设备发送自定义指令。如果你想扩展到8路？换一片74HC595级联就行，代码几乎不用改。

工程实测：一个小面板的大变身

我在一个工业温控面板中实际应用了这套方案。主控是STM32F030K6T6，QFN28封装，总共才28个引脚，原生1个UART。

原始需求：
- 接ESP-01S Wi-Fi模块（必须用UART）
- 驱动4位数码管（需8段+4位选 = 12 GPIO）
- 控制8路继电器（8 GPIO）
- 保留SWD下载口（2 GPIO）
- 还要留几个给按键和传感器……

算下来至少需要24个GPIO，刚好撞墙。

引入双级联74HC595后，架构变成：

[STM32] ├── UART0 → ESP-01S ├── PA0 → DATA ├── PA1 → CLK ├── PA2 → LATCH └── [74HC595 × 2] ├── Q0~Q7 → 数码管段 a~dp └── Q8~Q15 → 继电器 IN1~IN8

总共只用了3个额外GPIO，省下13个引脚！

而且数码管显示和继电器控制还能共用同一套发送机制。比如我要显示“H”并打开第3路继电器，只需构造两个字节：

uint8_t seg_code = 0b01110110; // "H" 字形 uint8_t rel_code = 0b00000100; // 第3路闭合 shiftOut(seg_code); shiftOut(rel_code); HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LATCH_PIN, GPIO_PIN_SET); // 更新输出

干净利落，毫无压力。

别忽视这些细节，它们决定成败

你以为接上线就能跑？工程远没那么简单。以下是我在调试中踩过的坑：

1. 电源噪声导致乱码

移位寄存器在切换瞬间电流突变，容易拉低VCC。务必在每片旁边加0.1μF陶瓷电容，离电源引脚越近越好。我曾因省掉这个电容，导致数码管频繁闪屏。

2. 锁存信号太“脆”

如果LATCH信号抖动，可能在移位中途触发锁存，造成半截数据显示。建议：
- 在shiftOut()末尾加短延时；
- 或使用硬件逻辑门对LATCH做滤波；
- 更稳妥的做法是在初始化时将其默认拉高。

3. 级联顺序搞反了

74HC595的数据是从Q7’（MSB）输出的，如果你级联时接错了方向，高低位就会颠倒。记住口诀：“前片尾巴接后片头”。

4. 高频下时序不够用

如果你目标是模拟115200bps，那每位只有约8.7μs。在慢速MCU上，shiftOut()函数本身可能就要几微秒，留给其他任务的时间极短。建议：
- 使用DMA+SPI方式替代纯软件模拟；
- 或选用更快的74AC系列芯片（支持70MHz时钟）。

它不适合什么场景？

当然，这招也不是万能的。以下情况慎用：

• 需要接收数据：本方案主要是发送。若需双向通信，得另加比较器或ADC采样；
• 实时性要求极高：如电机控制中的PWM同步，这种轮询机制会有微秒级延迟；
• 长距离传输：直接输出易受干扰，建议加光耦隔离后再走线；
• 多人协作项目：新手可能看不懂这种“非标准”设计，增加维护成本。

但在大多数IoT节点、人机交互面板、状态指示类设备中，它的性价比简直无敌。

写在最后：老器件的新生命

74HC595诞生于上世纪80年代，但它从未过时。在RISC-V MCUs遍地开花、国产逻辑芯片批量替代的今天，这种“软硬协同”的极简设计思想反而更加珍贵。

它教会我们的不只是技术，更是一种思维：当硬件资源见底时，不妨回头看看那些最基础的元件——有时候，解决问题的钥匙，就藏在最不起眼的地方。

如果你也在为引脚发愁，不妨试试这片几毛钱的芯片。说不定，你的下一个产品，就靠它“续命”成功。

对了，评论区聊聊：你用移位寄存器做过最骚的操作是什么？我听过有人拿它做简易DAC，还有人用16级联点亮了8×8 LED矩阵……