在嵌入式系统和物联网设备中，I²C总线因其结构简单、引脚少等优点被广泛应用。然而，每个I²C器件都有一个固定的地址，当总线上需要连接多个相同地址的器件（例如，多个相同的传感器模块）时，地址冲突的问题就变得无法回避。
今天，我们要介绍的就是解决这一难题的"神器"------来自NXP的PCA9546，一款4通道的I²C多路复用开关。它就像是一个智能的"交通指挥员"，能让你的一条I²C总线"分身"成四条独立的支路。
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一、痛点：为什么我们需要PCA9546？
想象一下这个场景：你的项目需要同时监测四个不同区域的温度，因此你选择了四个完全相同的温度传感器（如TMP117，默认地址0x48）。当你试图将它们全部连接到微控制器（如STM32, ESP32）的同一组I²C总线上时，你会发现微控制器根本无法区分它们，因为它们的I²C地址一模一样！
这就是I²C地址冲突。传统的解决方案是为每个传感器配置不同的地址（如果支持），但这通常需要额外的地址选择引脚，增加了硬件设计和布线的复杂性。
PCA9546的登场，完美地解决了这个问题。它的核心思想是：通过软件选择，在任意时刻只将其中一条传感器支路连接到主I²C总线上。这样，在微控制器看来，总线上始终只有一个地址为0x48的传感器，从而避免了冲突。
二、PCA9546是什么？
PCA9546是一款通过I²C总线控制的4通道双向转换开关。其主要特性如下：
• 核心功能：将1条上游I²C总线（SCL/SDA）切换到4条下游通道（SC0/SD0 ~ SC3/SD3）中的任意一条。
• 通道选择：通过一个可编程的控制寄存器来选择激活的通道。
• 电平转换：虽然其主要功能是多路复用，但由于各通道电源电压独立（VDD引脚），它也能实现不同电压域器件之间的电平转换（例如，主控3.3V，传感器5V）。
• 中断功能：支持中断输出，可用于监控下游设备的状态（此功能在PCA9546A型号上可用）。
• 封装：常见的16引脚TSSOP封装，体积小巧。
三、PCA9546内部结构与引脚说明
要理解其工作原理，我们先来看看它的内部结构和关键引脚。
- 内部结构框图
你可以将PCA9546想象成一个由I²C指令控制的"单刀四掷"开关。其内部包含：
• I²C从机接口：用于与主控制器通信，接收指令。
• 控制逻辑与寄存器：解析指令并控制开关阵列。
• 4路开关阵列：实际的物理开关，负责连接上游和下游总线。
- 关键引脚定义
引脚名称 引脚号 类型 描述
SD0~SD3 5, 7, 9, 11 双向 下游通道0-3的串行数据线
SC0~SC3 4, 6, 8, 10 双向 下游通道0-3的串行时钟线
SDA 1 双向 上游I²C串行数据线
SCL 2 输入 上游I²C串行时钟线
A0, A1 14, 15 输入 硬件地址选择引脚。用于设置PCA9546自身的I²C地址
INT 3 输出 中断输出（低电平有效，仅PCA9546A有）
RESET 16 输入 硬件复位引脚（低电平有效）
VDD 13 电源 上游逻辑电源（1.8V to 5.5V）
VDDx 12 电源 下游通道电源（用于电平转换，1.8V to 5.5V）
GND - 电源 地
重点理解：
• A0, A1：这两个引脚决定了PCA9546在上级总线上的"身份地址"。通过将它们接GND或VDD，可以设置不同的从机地址，允许一个总线上挂载多个PCA9546，实现进一步的扩展。
• VDD 和 VDDx：VDD必须与主控MCU的逻辑电平一致。VDDx则决定了下游通道的逻辑高电平。如果下游有一个5V的设备，将VDDx接5V即可实现3.3V到5V的电平转换。
四、PCA9546的I²C地址与工作原理
- I²C从机地址
PCA9546的7位I²C地址固定为1110xxx，其中最低的3位由A2, A1, A0引脚决定。对于PCA9546，A2引脚在内部被拉低，所以实际可配置的只有A1和A0。因此，其地址格式为 1110 A1 A0。
A1 A0 7位地址（二进制） 7位地址（十六进制）
0 0 1110 000 0x70
0 1 1110 001 0x72
1 0 1110 010 0x74
1 1 1110 011 0x76
这是最常用的配置，让你可以在一条总线上最多挂载4个PCA9546。
- 控制寄存器（Channel Selection）
PCA9546只有一个8位的控制寄存器，用于控制通道的开关。这个寄存器的低4位分别对应4个通道。
位 名称 功能描述
BIT 3 EN3 通道3使能位。1=开启，0=关闭
BIT 2 EN2 通道2使能位。1=开启，0=关闭
BIT 1 EN1 通道1使能位。1=开启，0=关闭
BIT 0 EN0 通道0使能位。1=开启，0=关闭
至关重要的规则：为了保证I²C总线的稳定性，控制寄存器中在同一时刻只能有1位被设置为1。即，一次只能选择一个通道。如果同时开启多个通道，下游的设备会并联到上游总线上，这极有可能导致通信失败甚至损坏器件。
有效控制字示例：
• 0x01 (0000 0001)：选择通道0
• 0x02 (0000 0010)：选择通道1
• 0x04 (0000 0100)：选择通道2
• 0x08 (0000 1000)：选择通道3
• 0x00 (0000 0000)：所有通道关闭（默认状态）
五、实战应用：如何与PCA9546通信
与PCA9546的通信非常简单，就是一个标准的I²C写操作。
操作流程：
- 初始化：主控制器通过I²C总线发起起始条件，并发送PCA9546的地址（写模式，即地址左移一位后最低位为0）。
- 发送命令：紧接着发送一个字节的数据，这个数据就是上文提到的控制寄存器的值。
- 结束通信：发送停止条件。
代码示例（Arduino风格）
假设PCA9546的地址为0x70（A1=A0=GND），我们要选择通道1。
#include <Wire.h>
#define PCA9546_ADDR 0x70
void setup() {
Wire.begin();
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
// 选择通道1 (控制字 = 0x02)
selectI2CChannel(0x02);
// 现在可以与连接到通道1上的设备通信了
// 例如，读取一个地址为0x48的传感器
Wire.beginTransmission(0x48);
// ... 后续通信代码
delay(1000);
}
void selectI2CChannel(byte channel) {
Wire.beginTransmission(PCA9546_ADDR);
Wire.write(channel); // 发送控制字节
byte error = Wire.endTransmission();
if (error == 0) {
Serial.print("Successfully selected channel: 0x");
Serial.println(channel, HEX);
} else {
Serial.println("Error selecting channel!");
}
}
六、应用场景与优势总结
• 解决地址冲突：连接多个相同地址的I²C设备。
• 总线扩展：突破I²C总线400pF的电容限制，长距离布线时可以将总线分割成几段。
• 电平转换：在混合电压系统中，方便地连接不同逻辑电平的器件。
• 系统功耗管理：可以单独切断不使用的设备支路，降低系统静态功耗。
七、使用注意事项
- 一次一通道：再次强调，切勿同时使能多个通道。
- 上电状态：芯片上电或复位后，所有通道默认关闭，控制寄存器为0x00。
- 热插拔：在带电情况下插拔下游设备可能会引起总线锁死，建议在设计时考虑RESET电路或电源管理。
- 地址规划：在复杂系统中使用多个多路复用器时，提前规划好硬件地址（A0, A1）的分配。
结语
PCA9546是一款小巧而强大的芯片，是解决I²C总线扩展和冲突问题的经典选择。它极大地增强了I²C总线的灵活性和可扩展性。希望这篇详细的介绍能帮助你更好地理解和应用这颗"总线利器"，让你的下一个项目设计更加得心应手！
附录：
• https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCA9546.pdf - 设计时请务必查阅最新版数据手册。
希望这篇博客对您有帮助！