PCA9555 I/O扩展芯片驱动详解

注：您提到的"XL9555"可能是笔误，常见型号应为NXP的PCA9555（16位I²C I/O扩展器）。以下以PCA9555为准进行详解。

一、芯片特性与引脚说明

核心特性

16位可编程I/O：分为端口0（P0.0-P0.7）和端口1（P1.0-P1.7）
I²C接口：支持100kHz（标准）/400kHz（快速）模式
独立配置：每个I/O引脚可单独设为输入或输出
中断功能：开漏INT引脚，输入状态变化时触发
多器件支持：3个硬件地址引脚(A0-A2)，单总线最多接8个设备
宽电压范围：2.3V~5.5V（兼容3.3V/5V系统）

引脚定义

引脚	功能
SCL/SDA	I²C时钟/数据线
A0-A2	地址选择引脚（决定I²C从地址）
INT	中断输出（开漏，需上拉）
RESET	低电平有效复位（可选）
P0.0-P0.7	端口0 I/O引脚
P1.0-P1.7	端口1 I/O引脚

二、寄存器映射（关键地址）

寄存器	地址	端口0	端口1	描述
输入寄存器	0x00	0x00	0x01	读取引脚电平（只读）
输出寄存器	0x02	0x02	0x03	设置输出电平（读写）
极性反转	0x04	0x04	0x05	1=反相输入（读写）
配置寄存器	0x06	0x06	0x07	0=输出，1=输入（读写）

I²C从地址 ：0b0100_A2_A1_A0（A0-A2接地/接VCC决定实际地址）

三、驱动代码实现（C语言）

1. 基础配置

cpp 复制代码

#include "i2c.h" // 假设已实现底层I2C驱动

#define PCA9555_ADDR_BASE 0x20 // 基础地址(0b0100000)
#define PCA9555_ADDR(addr_pins) (PCA9555_ADDR_BASE | (addr_pins & 0x07))

// 寄存器地址枚举
typedef enum {
    REG_INPUT_0 = 0x00,
    REG_INPUT_1 = 0x01,
    REG_OUTPUT_0 = 0x02,
    REG_OUTPUT_1 = 0x03,
    REG_POLARITY_0 = 0x04,
    REG_POLARITY_1 = 0x05,
    REG_CONFIG_0 = 0x06,
    REG_CONFIG_1 = 0x07
} pca9555_reg_t;

2. 核心操作函数

cpp 复制代码

/**
 * @brief 写入16位数据到寄存器
 * @param addr: 芯片I2C地址
 * @param reg: 起始寄存器地址
 * @param value: 16位数据（低8位=端口0，高8位=端口1）
 * @return 0=成功，<0=错误
 */
int pca9555_write_reg(uint8_t addr, uint8_t reg, uint16_t value) {
    uint8_t data[3] = {reg, (uint8_t)(value & 0xFF), (uint8_t)(value >> 8)};
    return i2c_write(addr, data, 3); // 调用底层I2C写函数
}

/**
 * @brief 读取16位寄存器数据
 * @param addr: 芯片I2C地址
 * @param reg: 起始寄存器地址
 * @param value: 存储读取结果的指针
 * @return 0=成功，<0=错误
 */
int pca9555_read_reg(uint8_t addr, uint8_t reg, uint16_t *value) {
    uint8_t rx_data[2];
    if(i2c_write(addr, &reg, 1) != 0) return -1; // 先发送寄存器地址
    if(i2c_read(addr, rx_data, 2) != 0) return -2; // 读取2字节数据
    
    *value = ((uint16_t)rx_data[1] << 8) | rx_data[0]; // 端口1在高8位
    return 0;
}

3. 应用层接口

cpp 复制代码

/**
 * @brief 初始化PCA9555
 * @param addr: 芯片I2C地址
 * @return 0=成功
 */
int pca9555_init(uint8_t addr) {
    // 默认全部配置为输入（配置寄存器=0xFFFF）
    if(pca9555_write_reg(addr, REG_CONFIG_0, 0xFFFF) != 0) return -1;
    
    // 清除输出寄存器（避免上电时意外输出）
    if(pca9555_write_reg(addr, REG_OUTPUT_0, 0x0000) != 0) return -2;
    
    return 0;
}

/**
 * @brief 设置单个引脚方向
 * @param addr: 芯片地址
 * @param pin: 0-15（0-7=端口0，8-15=端口1）
 * @param is_input: 1=输入，0=输出
 * @return 0=成功
 */
int pca9555_set_pin_direction(uint8_t addr, uint8_t pin, uint8_t is_input) {
    uint16_t config;
    uint8_t reg = (pin < 8) ? REG_CONFIG_0 : REG_CONFIG_1;
    uint8_t bit = pin % 8;
    
    if(pca9555_read_reg(addr, reg, &config) != 0) return -1;
    
    if(is_input) {
        config |= (1 << bit);   // 设置为输入
    } else {
        config &= ~(1 << bit);  // 设置为输出
    }
    
    return pca9555_write_reg(addr, reg, config);
}

/**
 * @brief 读取单个引脚状态
 * @param addr: 芯片地址
 * @param pin: 0-15
 * @param state: 存储状态的指针（0/1）
 * @return 0=成功
 */
int pca9555_read_pin(uint8_t addr, uint8_t pin, uint8_t *state) {
    uint16_t input;
    uint8_t reg = (pin < 8) ? REG_INPUT_0 : REG_INPUT_1;
    uint8_t bit = pin % 8;
    
    if(pca9555_read_reg(addr, reg, &input) != 0) return -1;
    *state = (input >> bit) & 0x01;
    return 0;
}

/**
 * @brief 设置单个引脚输出
 * @param addr: 芯片地址
 * @param pin: 0-15
 * @param value: 0/1
 * @return 0=成功
 */
int pca9555_write_pin(uint8_t addr, uint8_t pin, uint8_t value) {
    uint16_t output;
    uint8_t reg = (pin < 8) ? REG_OUTPUT_0 : REG_OUTPUT_1;
    uint8_t bit = pin % 8;
    
    if(pca9555_read_reg(addr, reg, &output) != 0) return -1;
    
    if(value) {
        output |= (1 << bit);
    } else {
        output &= ~(1 << bit);
    }
    
    return pca9555_write_reg(addr, reg, output);
}

四、典型应用示例

1. 驱动LED矩阵

cpp 复制代码

#define PCA9555_ADDR0 PCA9555_ADDR(0x00) // A2=A1=A0=GND

void led_matrix_demo(void) {
    pca9555_init(PCA9555_ADDR0);
    
    // 配置P0.0-P0.7为输出（行驱动）
    for(int i=0; i<8; i++) {
        pca9555_set_pin_direction(PCA9555_ADDR0, i, 0); // 0=输出
    }
    
    // 配置P1.0-P1.3为输出（列驱动）
    for(int i=0; i<4; i++) {
        pca9555_set_pin_direction(PCA9555_ADDR0, 8+i, 0);
    }
    
    // 点亮(2,1)位置的LED
    pca9555_write_pin(PCA9555_ADDR0, 2, 1);  // 行2高电平
    pca9555_write_pin(PCA9555_ADDR0, 8+1, 0); // 列1低电平
}

2. 按键扫描（带中断）

cpp 复制代码

// 中断处理函数（需在MCU中配置）
void PCA9555_INT_IRQHandler(void) {
    uint8_t key_state;
    pca9555_read_pin(PCA9555_ADDR0, 10, &key_state); // 读取P1.2按键状态
    if(key_state) {
        // 处理按键按下事件
    }
    
    // 清除中断标志（读取输入寄存器会自动清除）
    uint16_t dummy;
    pca9555_read_reg(PCA9555_ADDR0, REG_INPUT_0, &dummy);
}

五、关键设计注意事项

1. 电气特性

上拉电阻：I²C总线必须接4.7kΩ上拉电阻（3.3V系统）
输出电流：单引脚最大25mA，总电流<100mA（避免直接驱动大功率LED）
电平转换：5V系统连接3.3V MCU时需电平转换芯片

2. 时序优化

cpp 复制代码

// 批量操作提高效率（避免频繁I²C事务）
uint16_t output_state = 0x0000; // 初始状态

// 设置多个引脚
output_state |= (1 << 3);  // P0.3=1
output_state &= ~(1 << 10); // P1.2=0

// 一次性写入
pca9555_write_reg(PCA9555_ADDR0, REG_OUTPUT_0, output_state);

3. 常见问题解决

问题	可能原因	解决方案
无法通信	I²C地址错误	用逻辑分析仪检查实际地址
输出不稳定	未初始化输出寄存器	先写输出寄存器再配置方向
中断不触发	未配置输入引脚	确保中断引脚设为输入模式
读取值错误	未等待稳定时间	在读取前加10μs延时

六、替代型号对比

型号	位数	接口	特点	适用场景
PCA9555	16	I²C	标准功能，性价比高	通用I/O扩展
MCP23017	16	I²C	速度更快(1.7MHz)	高速应用
TCA9555	16	I²C	工业级温度范围	恶劣环境
PCF8574	8	I²C	低成本，简单	8位扩展需求

提示：在FreeRTOS系统中，建议将PCA9555驱动封装为线程安全模块，并添加错误重试机制：
复制代码
cpp 复制代码
#define MAX_RETRY 3
int pca9555_safe_write(uint8_t addr, uint8_t reg, uint16_t value) {
    for(int i=0; i<MAX_RETRY; i++) {
        if(pca9555_write_reg(addr, reg, value) == 0) return 0;
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10)); // 重试前等待
    }
    return -1; // 最终失败
}

PCA9555是扩展微控制器I/O能力的经济高效方案，正确实现驱动后可稳定支持工业控制、智能家居、仪器仪表等多种应用场景。