【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：
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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。
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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。
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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。
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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：
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固定位：PCF8574的固定部分地址是0100000，十六进制表示为0x20。
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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。
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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：
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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。
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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：
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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）。
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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）。
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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）。
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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。
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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：
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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。
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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）。
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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。
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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：
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初始化中断GPIO口和IIC接口
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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。
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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。
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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。
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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
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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
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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。
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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。
- 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：
- 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：
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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 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 temp &= ~(1 __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 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 } } } -
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