【正点原子STM32】IIC-IO扩展实验（PCF8574（IO扩展芯片）I²C总线接口的8位并行I/O端口扩展器、PCF8574寻址、写/读操作时序、中断引脚、PCF8574驱动步骤）

一、PCF8574简介
二、PCF8574读写时序

• 2.1、PCF8574寻址
• 2.2、写操作时序
• 2.3、读操作时序
• 2.4、PCF8574中断引脚

三、PCF8574驱动步骤
四、编程实战
五、总结

一、PCF8574简介

PCF8574T是由恩智浦（NXP）半导体生产的I²C总线接口的8位并行I/O端口扩展器。该芯片的主要特性与功能包括：

• I²C总线接口：PCF8574T通过I²C总线（也称作IIC总线）与主控制器（如MCU）通信，仅需占用两根信号线（SCL和SDA），即可实现与主控制器之间的数据传输。

• 8个准双向口：芯片内含8个准双向I/O口（P0-P7），每个端口既可以作为输出端口驱动外部负载，也可以作为输入端口读取外部设备的状态。当作为输入口使用时，为了获得正确的输入状态，需要将对应的内部输出驱动设置为高电平（上拉），这样在外部设备不驱动的情况下，端口就能通过内部上拉电阻检测到高电平输入。

• 中断线：PCF8574T还有一个中断输出引脚（INT），当任一输入口的状态发生变化时，可以触发此中断信号，告知主控制器有输入状态的变化，方便系统做出及时响应。

• 3个地址线：通过不同的地址线配置，可以实现多个PCF8574T芯片挂在同一个I²C总线上，并且每个芯片都有独立的地址，使得主控制器可以区别并单独访问每个芯片。

综上所述，PCF8574T芯片非常适用于需要扩展I/O资源的嵌入式系统，特别适合在I/O口有限或者布线困难的场合，通过一根I²C总线就可轻松管理和控制大量的外围设备。

二、PCF8574读写时序

2.1、PCF8574寻址

PCF8574的寻址方式基于I²C协议，其设备地址由固定的7位地址和可选的硬件选择位组成：

• 固定位：PCF8574的固定部分地址是0100000，十六进制表示为0x20。

• 硬件选择位：PCF8574提供了A0、A1和A2三个硬件地址选择引脚，这三个引脚的不同组合可以决定PCF8574的硬件地址。当A0、A1、A2都接地（接GND）时，这三个地址位均为0，因此硬件选择位为000。

• 数据传输方向位：这是I²C协议中的约定，最低位决定了数据传输的方向，0表示写操作，1表示读操作。

所以，当A0~2都接GND时，具体寻址方式如下：

• 写操作地址：固定位0100000加上硬件选择位000，再加上写操作位0，最终得到的地址是01000000，即0x40。

• 读操作地址：与写操作类似，只是最后一位变成1，所以读操作地址为010000001，即0x41。

当A0、A1、A2引脚接法不同时，设备地址也会随之改变。例如，如果A0接VCC（高电平），A1和A2接GND，那么写操作地址将是0x42，读操作地址将是0x43。通过这种方式，同一I²C总线上可以连接多个PCF8574芯片，每个芯片具有唯一的地址，从而实现I/O口的灵活扩展。

2.2、写操作时序

在使用I²C协议对PCF8574进行写操作时，时序如下：

1. MCU发起写操作：

   • S（起始信号 Start）: MCU首先通过I²C总线发送起始信号，即在SCL为高电平时，SDA线由高电平跳变为低电平，表明一次通信的开始。
   • 从机地址和写操作指示：MCU紧接着发送PCF8574的从机地址（考虑到A0~A2引脚的接法，确定具体的7位地址，这里是0x40），并在末尾添加一个位来指示写操作（通常是0，因为在I²C协议中，写操作地址的最低位为0）。

2. PCF8574响应：

   • 应答信号 Acknowledge：PCF8574接收到正确的从机地址和写命令后，在下一个SCL时钟周期的高电平时，将SDA线拉低，表示对MCU请求的确认（ACK）。

3. MCU发送控制端口数据：

   • 数据传输：MCU开始通过SDA线发送要写入PCF8574的8位数据（DATA），这8位数据代表了PCF8574的P0~P7八个引脚的电平状态（0代表低电平，1代表高电平）。

4. PCF8574响应并更新输出：

   • 应答信号 Acknowledge：同样，PCF8574在接收到8位数据后，在下一个SCL时钟周期的高电平期间再次拉低SDA线，给出ACK信号，表示数据接收成功。
   • 内部数据更新：PCF8574内部会立即将接收到的数据更新到对应的I/O引脚上，控制P0~P7的电平状态。

5. MCU终止通信：

   • P（停止信号 Stop）: MCU在数据传输完毕后，会发送一个停止信号来结束此次通信。这表现为在SCL为高电平时，MCU将SDA线由低电平切换回高电平。

总结一下整个写操作时序，MCU通过I²C总线向PCF8574发送指令，指定写操作和数据内容，PCF8574接收并响应，最后将数据反映在其输出引脚P0~P7上。

2.3、读操作时序

在使用I²C协议对PCF8574进行读操作时，时序如下：

1. MCU发起读操作：

   • S（起始信号 Start）: MCU首先通过I²C总线发送起始信号。
   • 从机地址和读操作指示：MCU紧接着发送PCF8574的从机地址，但由于现在是读操作，所以在地址的最低位上，MCU需要发送1（在写操作时是0），即从机地址加1，本例中为0x41。

2. PCF8574响应并返回数据：

   • 应答信号 Acknowledge：PCF8574接收到正确的从机地址和读命令后，在下一个SCL时钟周期的高电平期间，将SDA线拉低，表示对MCU请求的确认（ACK）。
   • 发送端口状态数据：在MCU释放SDA线后，PCF8574开始通过SDA线发送当前P0~P7八个引脚的电平状态（DATA1，8位数据）。

3. MCU读取并响应数据：

   • 读取数据：MCU在接下来的8个SCL时钟周期里，逐位读取PCF8574返回的8位数据（DATA1）。
   • 应答信号 Acknowledge：在读取每个字节数据后，如果MCU希望继续读取下一个字节（例如，如果PCF8574支持连续读取），则MCU会在最后一个数据位之后的SCL高电平期间拉低SDA线，给出ACK信号。如果不需要继续读取，则MCU会保持SDA线为高电平，给出NACK信号。

4. MCU终止读操作：

   • 停止信号 Stop：如果MCU已经在合适的时机给出了NACK信号，或者已经完成了连续读取的所有数据，它将在最后一个数据字节读取完毕后，在SCL为高电平时将SDA由低电平切换回高电平，发出停止信号（Stop），从而结束此次读操作。

注意，原描述中的"③ MCU响应"并不准确，因为MCU在这个环节实际上是接收和读取数据，而非响应。此外，"③ MCU响应，PCF8574锁存端口状态数据返回给MCU（A + DATA4(响应时P0~P7的电平状态 )）"这部分描述中，DATA4的概念在这里并不适用，因为通常只会读取一个字节的数据（DATA1），除非PCF8574支持连续读取，并且MCU给出了连续读取的ACK信号。如果确实支持连续读取，那么DATA4指的是第二个读取的字节数据。

2.4、PCF8574中断引脚

PCF8574T中的中断引脚（INT）提供了一种高效的通知机制，使得微控制器（MCU）无需通过耗时的I²C总线通信就可以得知I/O端口状态的变化。当使用PCF8574T作为远程I/O扩展器时，其8个端口可以配置成输入或输出。当这些端口被配置为输入时，其中任意一个端口状态发生改变（比如从低电平变为高电平，或从高电平变为低电平），INT引脚就会产生一个中断信号，即INT引脚被拉低到低电平。

上电初始化后，所有端口默认处于输入模式，并且所有输入引脚的内部上拉电阻使这些引脚默认处于高电平状态。当任何一个输入引脚的电平发生改变（上升沿或下降沿触发，取决于芯片的具体配置），INT引脚立即产生一个中断请求。

特别指出的是，当INT引脚产生中断后，MCU必须通过I²C总线对PCF8574T进行一次读取或写入操作，以清除中断标志，也就是所谓的中断复位。如果不这样做，INT引脚将保持在低电平状态，不会响应下一次的输入信号变化产生的中断请求。换句话说，MCU在接收到中断后，除了响应中断事件外，还需要执行必要的I²C通信操作，以确保中断系统能够正常循环工作，持续监测并报告新的输入状态变化。

三、PCF8574驱动步骤

PCF8574驱动程序开发步骤详述如下：

1. 初始化中断GPIO口和IIC接口

   • 中断引脚配置：首先需要配置与PCF8574 INT中断引脚相连的MCU GPIO为上拉输入模式，确保在中断未触发时，该GPIO端口处于高电平状态。

   • IIC接口初始化 ：调用相应的IIC驱动库函数（例如iic_init()）初始化MCU的I²C接口，设置相关寄存器以匹配PCF8574的I²C通信要求，包括时钟频率、中断使能等。

   • 设备检测（可选）：为了确保PCF8574设备在线，可以尝试通过I²C接口发送读写请求，并检测是否有应答信号，如果没有应答，则可能表示设备不存在或通信异常。

2. 编写读取PCF8574的8位IO值函数

   • 根据I²C读操作时序，按照(S + S_A + R + A + DR + Nack + P)的方式进行编程，其中：
     • S为发送起始信号
     • S_A为发送从机地址和读命令
     • R为从PCF8574接收数据
     • A为从机应答
     • DR为接收数据
     • Nack为主机发送非应答信号，结束数据接收
     • P为发送停止信号

3. 编写写入PCF8574的8位IO值函数

   • 根据I²C写操作时序，按照(S + S_A + W + A + DW + A + P)的方式进行编程，其中：
     • W为发送写命令
     • DW为发送数据到PCF8574
     • 其他符号含义同上一步骤

4. 编写PCF8574读取某个IO的值函数

   • 调用步骤2编写的读取8位IO值的函数，获取整个端口状态。
   • 对获取到的8位数据进行位操作，提取所需的特定IO位的值。

5. 编写PCF8574设置某个IO的值函数

   • 调用步骤2编写的读取8位IO值的函数，读取当前所有IO的状态，保存下来。
   • 修改读取到的数据中所关心的那一位IO状态。
   • 调用步骤3编写的写入8位IO值的函数，将修改后的数据写回到PCF8574中，确保在修改目标IO的同时，不改变其他未涉及的IO状态。

四、编程实战

pcf8574.c

#include "./BSP/PCF8574/pcf8574.h" // 包含PCF8574驱动头文件
#include "./SYSTEM/delay/delay.h" // 包含延时函数头文件

/**
 * @brief       初始化PCF8574芯片
 * @param       无
 * @retval      0, 初始化成功;
 *             1, 初始化失败;
 */
uint8_t pcf8574_init(void)
{
    uint8_t temp = 0;
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    // 使能PCF8574中断引脚对应的GPIO时钟
    PCF8574_GPIO_CLK_ENABLE();

    // 初始化PCF8574中断引脚为输入模式，带内部上拉，高速驱动
    gpio_init_struct.Pin = PCF8574_GPIO_PIN;                 /* PB12 */
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;                 /* 输入 */
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                     /* 上拉 */
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;                /* 高速 */
    HAL_GPIO_Init(PCF8574_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);     /* 初始化 */

    // 初始化IIC接口
    iic_init();

    // 检测PCF8574是否存在
    iic_start(); // 发送起始信号
    iic_send_byte(PCF8574_ADDR); // 发送PCF8574的写地址
    temp = iic_wait_ack(); // 等待ACK应答，根据应答结果判断PCF8574是否存在
    iic_stop(); // 发送停止信号

    // 初始化PCF8574所有IO口状态为高电平
    pcf8574_write_byte (0xFF);

    return temp; // 返回初始化结果
}

// 读取PCF8574的8位IO状态
uint8_t pcf8574_read_byte (void)
{
    uint8_t temp = 0;

    // 发送起始信号并设置读操作
    iic_start();
    iic_send_byte(0x41); // 发送PCF8574的读地址
    iic_wait_ack(); // 等待应答
    temp = iic_read_byte(0); // 读取并返回8位IO状态，并发送NACK信号表示读取结束
    iic_stop(); // 发送停止信号

    return temp;
}

// 向PCF8574写入一个字节数据，设置IO口状态
void pcf8574_write_byte (uint8_t data)
{
    // 发送起始信号并设置写操作
    iic_start();
    iic_send_byte(0x40); // 发送PCF8574的写地址
    iic_wait_ack(); // 等待应答
    iic_send_byte(data); // 发送要设置的8位IO状态
    iic_wait_ack(); // 等待应答
    iic_stop(); // 发送停止信号
    delay_ms(10); // 添加额外延时，确保数据稳定写入
}

// 读取PCF8574指定位的IO状态
uint8_t pcf8574_read_bit(uint8_t bit)
{
    uint8_t temp = 0;

    // 读取整个8位IO状态
    temp = pcf8574_read_byte ();

    // 判断指定位的IO状态
    if (temp & (1 << bit)) // 如果该位为1，则返回1
    {
        return 1;
    }
    else // 否则返回0
    {
        return 0;
    }
}

// 设置PCF8574指定位的IO状态
void pcf8574_write_bit(uint8_t bit, uint8_t sta)
{
    uint8_t temp = 0;

    // 读取整个8位IO状态
    temp = pcf8574_read_byte ();

    // 根据传入的sta参数设置指定位的IO状态
    if (sta) // 如果sta为真（1），则将该位设置为1
    {
        temp |= (1 << bit);
    }
    else // 否则将该位设置为0
    {
        temp &= ~(1 << bit);
    }

    // 将更新后的8位IO状态写回PCF8574
    pcf8574_write_byte (temp);
}

这段代码是针对PCF8574 I/O 扩展器的驱动程序，主要包含初始化、读写整个字节数据以及读写单个位的操作。通过I²C协议与PCF8574进行通信，实现对其8个IO口状态的读取和设置。初始化函数会检测PCF8574的存在，并将所有IO口状态初始化为高电平。读写函数则严格按照I²C协议时序进行操作。读取指定位和设置指定位函数是对整个字节读写操作的细化，便于直接操作单个IO口。

pcf8574.h

#ifndef __PCF8574_H
#define __PCF8574_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./BSP/IIC/myiic.h"

/******************************************************************************************/
/* 引脚 定义 */
#define PCF8574_GPIO_PORT                  GPIOB
#define PCF8574_GPIO_PIN                   GPIO_PIN_12
#define PCF8574_GPIO_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)             /* PB口时钟使能 */

/******************************************************************************************/

#define PCF8574_INT  HAL_GPIO_ReadPin(PCF8574_GPIO_PORT, PCF8574_GPIO_PIN) /* PCF8574 INT脚 */

#define PCF8574_ADDR  0X40      /* PCF8574地址(左移了一位) */

/* PCF8574各个IO的功能 */
#define BEEP_IO         0       /* 蜂鸣器控制引脚        P0 */
#define AP_INT_IO       1       /* AP3216C中断引脚       P1 */
#define DCMI_PWDN_IO    2       /* DCMI的电源控制引脚    P2 */
#define USB_PWR_IO      3       /* USB电源控制引脚       P3 */
#define EX_IO           4       /* 扩展IO,自定义使用     P4 */
#define MPU_INT_IO      5       /* SH3001中断引脚        P5 */
#define RS485_RE_IO     6       /* RS485_RE引脚          P6 */
#define ETH_RESET_IO    7       /* 以太网复位引脚        P7 */

uint8_t pcf8574_init(void); 						// 初始化PCF8574芯片
void pcf8574_write_bit(uint8_t bit, uint8_t sta);	// 设置PCF8574指定位的IO状态
uint8_t pcf8574_read_bit(uint8_t bit);				// 读取PCF8574指定位的IO状态
uint8_t pcf8574_read_byte (void);					// 读取PCF8574的8位IO状态
void pcf8574_write_byte (uint8_t data);				// 向PCF8574写入一个字节数据，设置IO口状态

#endif

myiic.c
myiic.h
main.c

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"       // 系统时钟和初始化相关头文件
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"  // USART串口通信头文件
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"  // 延时函数头文件
#include "./BSP/LED/led.h"        // LED控制头文件
#include "./BSP/LCD/lcd.h"        // LCD显示屏控制头文件
#include "./BSP/KEY/key.h"        // 键盘输入头文件
#include "./BSP/SDRAM/sdram.h"    // SDRAM外部存储器控制头文件
#include "./USMART/usmart.h"       // USMART智能调试助手头文件
#include "./BSP/PCF8574/pcf8574.h" // PCF8574 I/O扩展器控制头文件

int main(void)
{
    uint16_t i = 0;                // 计数变量
    uint8_t key;                   // 按键状态变量
    
    // STM32 HAL库初始化
    HAL_Init();
    
    // 设置系统时钟为180MHz，配置HCLK、PCLK1、PCLK2及PLL等相关参数
    sys_stm32_clock_init(360, 25, 2, 8);
    
    // 初始化延时函数，设置延时基础频率
    delay_init(180);
    
    // 初始化USART串口通信，设置波特率为115200
    usart_init(115200);
    
    // 初始化USMART智能调试助手
    usmart_dev.init(90);
    
    // 初始化LED控制
    led_init();
    
    // 初始化按键输入
    key_init();
    
    // 初始化外部SDRAM
    sdram_init();
    
    // 初始化LCD显示屏
    lcd_init();
    
    // 初始化PCF8574 I/O扩展器
    pcf8574_init();
    
    // 主循环
    while (1)
    {
        // 扫描按键，获取键值
        key = key_scan(0);
        
        // 当按键KEY0按下时，通过PCF8574关闭蜂鸣器
        if (key == KEY0_PRES)
        {
            pcf8574_write_bit(BEEP_IO, 0); // BEEP_IO为蜂鸣器对应的PCF8574 I/O端口号
        }
        
        // 监听PCF8574中断引脚，当检测到输入IO电平变化时
        if (PCF8574_INT == 0)
        {
            // 读取指定扩展IO端口状态
            key = pcf8574_read_bit(EX_IO); // EX_IO为监控的PCF8574 I/O端口号
            
            // 如果该IO口状态为低电平
            if (key == 0)
            {
                // 控制LED1状态翻转（闪烁）
                LED1_TOGGLE();
            }
        }
        
        // 计数变量自增，用于控制LED0的闪烁频率
        i++;
        delay_ms(10); // 延时10ms
        
        // 当计数达到20次时，红灯LED0状态翻转（闪烁）
        if (i == 20)
        {
            LED0_TOGGLE();
            i = 0; // 重置计数器
        }
    }
}

这段代码是一个典型的STM32系统初始化和主循环程序，主要完成了以下几个功能：

1. 初始化STM32 HAL库以及系统时钟。
2. 初始化USART串口、延时函数、LED控制、按键输入、SDRAM、LCD显示屏以及PCF8574 I/O扩展器。
3. 在主循环中，持续扫描按键状态，并根据按键状态控制PCF8574输出。
4. 监听PCF8574中断引脚，当检测到外部输入IO电平变化时，根据IO状态控制LED1的闪烁。
5. 通过计数实现LED0的周期性闪烁。

五、总结