1. 從一次“不夠用”的窘境說起做嵌入式開發(fā)的朋友十有八九都撞到過這堵墻主控芯片引腳算來算去就是差那么幾個(gè)要么砍功能要么換大封裝主控要么硬著頭皮飛線。我之前做過一個(gè)帶多路按鍵、LED、傳感器供電控制的采集節(jié)點(diǎn)主控就一個(gè)36腳的MCU功能排下來GPIO缺口將近10個(gè)板子尺寸又卡得死死的換主控不現(xiàn)實(shí)。那會(huì)兒第一反應(yīng)是“要不要上CPLD”后來冷靜算了一筆賬CPLD成本、開發(fā)環(huán)境、燒錄器全加在一起解決10個(gè)IO的問題性價(jià)比實(shí)在太低。后來把目光放在I2C IO擴(kuò)展器上一套流程跑下來板子順利量產(chǎn)成本只多了幾塊錢。這個(gè)經(jīng)歷讓我對(duì)IO擴(kuò)展選型有了不少切身體會(huì)今天就把這些經(jīng)驗(yàn)掰開揉碎聊一聊。這篇文章適合誰看硬件工程師評(píng)估方案階段、嵌入式軟件工程師在驅(qū)動(dòng)層踩坑、以及自己畫板子玩單片機(jī)的創(chuàng)客朋友。我會(huì)把方案對(duì)比、選型參數(shù)、實(shí)際代碼、常見坑全部整理出來盡量讓不同基礎(chǔ)的讀者都能拿去直接用。2. 主控GPIO不夠用先別急著加芯片2.1 四種擴(kuò)展方案的底層邏輯聽到“GPIO擴(kuò)展”很多人第一反應(yīng)就是加一顆IO擴(kuò)展芯片。實(shí)際上GPIO不夠用有更樸素的解法只是大家習(xí)慣往復(fù)雜了想。我把常見的思路排了一下每個(gè)方案背后的本質(zhì)邏輯完全不同。第一種是邏輯器件擴(kuò)展。原理特別簡(jiǎn)單用74HC595這種串行移位寄存器把數(shù)據(jù)一位一位送進(jìn)去然后并行輸出?？刂?個(gè)引腳就能換來8個(gè)輸出級(jí)聯(lián)以后還能繼續(xù)翻倍。反過來輸入端可以用74HC165把并行的電平一個(gè)一個(gè)讀出來。優(yōu)點(diǎn)是非常便宜一顆595幾毛錢缺點(diǎn)也很明顯想讀輸入就要換芯片想同時(shí)讀又要加邏輯輸出狀態(tài)在上電瞬間是亂的得額外處理。第二種是I2C IO擴(kuò)展。走的是標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議主控I2C總線上掛一顆從設(shè)備通過寫寄存器來控制引腳。一顆PCF8574有8個(gè)IO地址通過硬件引腳可以拼出8個(gè)地址一條總線上最多掛64個(gè)IO8顆芯片。優(yōu)點(diǎn)是雙向輸入輸出、占用引腳少兩個(gè)引腳SCL/SDA即可、上電狀態(tài)可控、可以直接級(jí)聯(lián)。缺點(diǎn)是有通信時(shí)序的要求軟件上比直接拉引腳多幾行代碼。第三種是SPI IO擴(kuò)展比如MCP23S17。本質(zhì)和I2C一樣但SPI速率高不少適合需要高頻翻轉(zhuǎn)的場(chǎng)景代價(jià)是占用的引腳多一個(gè)至少SCK、MOSI、MISO、CS四個(gè)而且SPI設(shè)備沒有像I2C那樣靈活的地址硬件配置。第四種是模擬開關(guān)/譯碼器用74HC138這種3-8譯碼器組合出多路選擇。這個(gè)方法看著省引腳實(shí)際用起來非常難受因?yàn)檩敵霾绘i存、沒有寄存器概念每一次切換都要重新控制選擇引腳。適合做掃描場(chǎng)景不適合做需要保持狀態(tài)的輸出。我在實(shí)際項(xiàng)目里的取舍邏輯是這樣的純輸出點(diǎn)LED指示、沒有輸入需求、對(duì)成本極其敏感的用595。按鍵掃描、輸入輸出混用、需要保存輸出狀態(tài)的直接上I2C擴(kuò)展。SPI擴(kuò)展芯片除非速率確實(shí)不夠否則不推薦純屬浪費(fèi)引腳。2.2 I2C擴(kuò)展器相對(duì)其他方案的三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)I2C IO擴(kuò)展器能夠成為大多數(shù)場(chǎng)景的默認(rèn)選擇不是營銷吹出來的而是三個(gè)硬核優(yōu)勢(shì)拍板的。第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是引腳效率極高。整條I2C總線就兩根線SCL、SDA只要地址不沖突想掛幾個(gè)擴(kuò)展器都可以。對(duì)比SPI的4根線以及595的至少3根控制線再加級(jí)聯(lián)邏輯I2C完全是數(shù)量級(jí)的節(jié)省。更妙的是I2C天生支持多設(shè)備共用總線——你如果已經(jīng)有傳感器在總線上擴(kuò)展器就是順路捎帶的事不需要額外占用任何引腳。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是輸入輸出雙向可編程。PCF8574這類芯片雖然簡(jiǎn)單但每個(gè)引腳既可以配置為輸入也可以驅(qū)動(dòng)為輸出這是595做不到的。實(shí)際項(xiàng)目中特別常見的一種需求是“這兩個(gè)引腳平時(shí)當(dāng)輸入用我需要的時(shí)候要能把它拉低”——比方說去控制一個(gè)使能腳又想去檢測(cè)它外部的電平狀態(tài)。I2C擴(kuò)展器一條指令切換方向硬件邏輯上天然支持。第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是上電狀態(tài)有保證。595在MCU配置之前輸出是隨機(jī)的可能導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作。而I2C擴(kuò)展器比如MCP23017帶硬件復(fù)位引腳和上電默認(rèn)寄存器值或者PCF8574上電后輸出為高在設(shè)計(jì)電路時(shí)把這些狀態(tài)考慮進(jìn)去系統(tǒng)上電的確定性就高了。這一點(diǎn)在很多工業(yè)控制類產(chǎn)品里是硬性要求。3. 選型前必須搞懂的幾個(gè)核心參數(shù)3.1 地址配置決定一條總線能掛多少芯片I2C通信之所以只需要兩根線靠的是每個(gè)設(shè)備有獨(dú)一無二的地址。IO擴(kuò)展器選型第一個(gè)要關(guān)注的就是地址位寬。PCF8574有A0/A1/A2三個(gè)硬件引腳每個(gè)引腳能接高電平或低電平所以有2的3次方等于8種組合基地址是0x20后面細(xì)講實(shí)際占用0x20到0x27這8個(gè)地址。MCP23017一樣是3個(gè)地址引腳。TCA9535也是這樣。AW9523是4個(gè)地址引腳支持16種地址組合。重點(diǎn)提醒一句看芯片手冊(cè)時(shí)要注意區(qū)分“地址引腳數(shù)量”和“可掛載芯片數(shù)量”可掛載數(shù)量理論上等于2的地址引腳次方但是還要扣除總線上其他設(shè)備的地址占用。比如總線上已經(jīng)有一個(gè)地址為0x20的傳感器那么PCF8574從0x20開始的8個(gè)地址就有一個(gè)被占了實(shí)際最多只能掛7顆。設(shè)計(jì)時(shí)先把總線地址圖列出來再?zèng)Q定選幾顆芯片避免做到一半發(fā)現(xiàn)地址不夠用只能改板。3.2 輸出結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)能力不是所有引腳都能推挽輸出這是一個(gè)非常多新手栽跟頭的地方。PCF8574的輸出結(jié)構(gòu)是開漏引腳內(nèi)部沒有推挽驅(qū)動(dòng)只能拉低或者釋放。釋放以后靠外部上拉電阻把電平拉高。這意味著兩件事第一引腳輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力取決于上拉電阻阻值想驅(qū)動(dòng)LED必須外部加上拉電阻并且計(jì)算電流第二開漏結(jié)構(gòu)天然適合“線與”多個(gè)引腳可以直接并聯(lián)做邏輯或這在某些特殊電路里反而是個(gè)優(yōu)勢(shì)。MCP23017則不同它的輸出寄存器默認(rèn)是推挽輸出可以直接推高和拉低驅(qū)動(dòng)能力也更強(qiáng)單引腳能到25mA具體看電壓帶LED完全不需要外部上拉。TCA9535又回到了開漏結(jié)構(gòu)。AW9523是這幾顆里比較特殊的存在它支持推挽輸出模式每個(gè)引腳可以通過寄存器配置為推挽或開漏。默認(rèn)是開漏但改一個(gè)bit就能變推挽對(duì)驅(qū)動(dòng)LED、繼電器這種負(fù)載非常友好。而且AW9523內(nèi)置了LED呼吸燈控制硬件自動(dòng)產(chǎn)生PWM波形軟件寫寄存器就能做呼吸效果不用MCU軟件模擬。選擇邏輯很簡(jiǎn)單要驅(qū)動(dòng)LED燈板、數(shù)碼管段位選推挽輸出或者開漏外部上拉的方案要接I2C總線做電平匹配開漏反而更方便。3.3 中斷能力輪詢還是等中斷直接影響系統(tǒng)功耗很多人選IO擴(kuò)展器只關(guān)心IO數(shù)量和地址完全忽略中斷引腳。等到實(shí)際做低功耗項(xiàng)目的時(shí)候才后悔設(shè)備睡眠狀態(tài)下IO擴(kuò)展器檢測(cè)到按鍵動(dòng)作主控還在睡按鍵事件丟失。PCF8574是靠讀引腳電平來感知外部變化的想檢測(cè)按鍵必須不停輪詢或者用一個(gè)獨(dú)立的IO口同時(shí)接按鍵和擴(kuò)展器。MCP23017帶了INTA/INTB兩個(gè)中斷輸出引腳當(dāng)配置為輸入的引腳電平發(fā)生變化時(shí)中斷引腳會(huì)拉低主控可以從睡眠中喚醒再通過I2C讀具體是哪個(gè)引腳變化了。TCA9535也是類似設(shè)計(jì)。AW9523的中斷設(shè)計(jì)更靈活每個(gè)引腳可以獨(dú)立使能中斷并且支持邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)。實(shí)際做低功耗產(chǎn)品時(shí)把擴(kuò)展器所有輸入引腳的中斷都打開主控平時(shí)進(jìn)入睡眠有外部事件通過INT引腳喚醒再讀寄存器知道哪個(gè)按鍵觸發(fā)整機(jī)功耗能壓得很低。我建議只要目標(biāo)產(chǎn)品要考慮電池供電或者待機(jī)功耗就直接選帶中斷的型號(hào)。哪怕第一版用不到多這個(gè)功能也不多花錢后續(xù)升級(jí)固件就能用上。3.4 速率等級(jí)與總線上拉電阻穩(wěn)定性隱患從這里出I2C協(xié)議有標(biāo)準(zhǔn)模式100kHz、快速模式400kHz、快速模式1MHz這些等級(jí)。多數(shù)IO擴(kuò)展器支持到400kHz看起來隨便夠用但很多人忽略了一個(gè)重要細(xì)節(jié)總線上拉電阻的取值和總線上掛的設(shè)備數(shù)量直接相關(guān)?？偩€電容越大上拉電阻就要越小否則信號(hào)上升沿太慢通信會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)錯(cuò)誤。幾個(gè)設(shè)備的電容疊加起來總線可能就不達(dá)標(biāo)了。我做過多設(shè)備掛載的項(xiàng)目總線上掛了2顆PCF8574、1顆BH1750光照傳感器、1顆EEPROM上拉電阻用的是4.7k總線速率跑到400kHz就偶爾出錯(cuò)換到2.2k才穩(wěn)定。后來查了總線電容計(jì)算公式總線上掛的設(shè)備越多上拉電阻確實(shí)需要相應(yīng)減小。需要注意是上拉電阻太小了會(huì)增大靜態(tài)電流IO擴(kuò)展器的輸出低電平驅(qū)動(dòng)能力有限如果上拉電阻太小引腳拉低時(shí)電流太大同樣會(huì)導(dǎo)致通信失敗。工程實(shí)踐建議掛載設(shè)備少2~3個(gè)、總線長度短10cm以內(nèi)用4.7k沒問題設(shè)備多、走線長的用2.2k試極端情況可以上1k此時(shí)注意確認(rèn)芯片輸出低電平時(shí)的灌電流能力在規(guī)格書范圍內(nèi)。3.5 特殊功能是不是有“隱藏加分項(xiàng)”除了基礎(chǔ)的IO讀寫現(xiàn)在新出的IO擴(kuò)展器開始卷內(nèi)置功能。AW9523的LED呼吸燈就是典型代表芯片內(nèi)部有PWM模塊可以獨(dú)立控制每個(gè)引腳的呼吸頻率和占空比。對(duì)于做氛圍燈、跑馬燈、鍵盤背光的項(xiàng)目這個(gè)功能能把MCU從軟件模擬PWM中解放出來一個(gè)寄存器指令就搞定了。還有一類加分項(xiàng)是I2C地址可編程范圍和兩種供電域支持。AW9523支持1.8V到5V供電邏輯電平也可以單獨(dú)匹配這樣兩邊電壓不一樣也能直接用。選型時(shí)多翻幾頁手冊(cè)的特殊功能章節(jié)經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)一些小驚喜。4. 五款主流I2C IO擴(kuò)展芯片橫向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù)比較枯燥我整理了一張表把目前市面上最常遇到的幾款芯片放在一起方便快速定位。芯片型號(hào)IO數(shù)量輸出結(jié)構(gòu)地址數(shù)中斷最大IO速率典型驅(qū)動(dòng)能力特色功能典型價(jià)格區(qū)間PCF85748開漏8無100k/400k準(zhǔn)雙向灌電流約20mA最經(jīng)典資料最多0.5~1.5元MCP2301716推挽8有1.7MHz約100k/400k兼容單引腳25mA輸入極性可配置內(nèi)部上拉可選3~6元TCA953516推挽準(zhǔn)雙向8有400k單引腳約10mATI主流低靜態(tài)功耗2~5元AW952316推挽/開漏可配16有400k單引腳約20mALED呼吸燈/PWM電壓范圍寬2~4元PCA955516推挽8有400k單引腳約10mA老牌經(jīng)典替代型號(hào)多2~5元選型的時(shí)候我一般這么走只做簡(jiǎn)單輸出和少量輸入、預(yù)算敏感選PCF8574成本最低代碼網(wǎng)上滿天飛IO需求超過8個(gè)、且要中斷推挽看MCP23017和PCA9555MCP23017的資料和庫更多做LED燈效類的優(yōu)先考慮AW9523呼吸燈功能省掉大量軟件工作功耗敏感、電池供電優(yōu)先考慮TCA9535靜態(tài)電流更低。實(shí)際項(xiàng)目中我用的最多的是PCF8574和AW9523前者純打雜后者是后來發(fā)現(xiàn)的“真香”芯片。5. 實(shí)操演示PCF8574從硬件連接到驅(qū)動(dòng)代碼5.1 硬件連接與地址計(jì)算以STM32F103的主控為例I2C1的PB6連SCLPB7連SDA接PCF8574。SCL和SDA各接一顆4.7k上拉電阻到3.3V這是I2C標(biāo)準(zhǔn)接法不管芯片供電是3.3還是5V都要有上拉。PCF8574的供電接3.3V還是5V取決于后級(jí)負(fù)載的電平要求如果只控制LED和讀取按鍵3.3V完全夠用。A0/A1/A2三個(gè)腳決定從機(jī)地址接地時(shí)全部為0。PCF8574的7位地址是0100 000寫操作時(shí)最低位為0所以完整寫地址是0x40讀地址是0x41。很多人的代碼里寫X0x20那是7位地址左移一位后的寫法兩者等價(jià)但要注意驅(qū)動(dòng)庫到底用的是7位地址還是8位地址。STM32標(biāo)準(zhǔn)庫的I2C從機(jī)地址參數(shù)要去掉最低位所以填0x20有些封裝好的Arduino庫內(nèi)部會(huì)自動(dòng)左移填0x20它會(huì)再移一次結(jié)果就變成0x40了導(dǎo)致通信失敗。這一點(diǎn)是新手最容易迷糊的地方。地址配置示例A21、A10、A01時(shí)7位地址是0100 101即0x25讀寫地址分別是0x4A和0x4B。5.2 代碼實(shí)現(xiàn)先搞懂寄存器再寫讀寫函數(shù)PCF8574只有一個(gè)8位寄存器往里面寫0x00就是所有引腳拉低輸出低電平寫0xFF就是所有引腳釋放開漏輸出高外部上拉生效。讀它的時(shí)候引腳的當(dāng)前電平會(huì)以8位數(shù)據(jù)的形式返回。先看寫操作代碼我用的是STM32標(biāo)準(zhǔn)庫風(fēng)格的偽代碼方便各種主控的朋友理解核心邏輯// 向PCF8574寫數(shù)據(jù)控制8個(gè)IO輸出 void PCF8574_Write(uint8_t devAddr, uint8_t data) { I2C_Start(); I2C_SendByte(devAddr 1 | 0); // 7位地址左移一位最低位寫方向0 I2C_WaitAck(); I2C_SendByte(data); // 寫入8位IO狀態(tài) I2C_WaitAck(); I2C_Stop(); }讀操作需要注意一個(gè)細(xì)節(jié)讀數(shù)據(jù)之前必須先把寄存器寫成0xFF把所有引腳釋放成輸入狀態(tài)否則引腳如果之前被鎖存為低電平讀回來的永遠(yuǎn)是0。很多人在讀按鍵的時(shí)候卡住就是這個(gè)原因。// 從PCF8574讀數(shù)據(jù)讀取輸入引腳電平 uint8_t PCF8574_Read(uint8_t devAddr) { uint8_t data; PCF8574_Write(devAddr, 0xFF); // 關(guān)鍵先釋放引腳才能正確讀取外部電平 I2C_Start(); I2C_SendByte(devAddr 1 | 1); // 7位地址左移一位最低位寫方向1讀 I2C_WaitAck(); data I2C_ReadByte(); // 讀取8位IO狀態(tài) I2C_SendNack(); // 讀最后一字節(jié)回NACK I2C_Stop(); return data; }實(shí)際用的時(shí)候PCF8574的輸入輸出是準(zhǔn)雙向的寫0x00引腳拉低輸出寫0xFF引腳釋放變成輸入。如果想某個(gè)引腳既當(dāng)輸入又當(dāng)輸出只能靠程序頻繁切換這是開漏結(jié)構(gòu)的局限設(shè)計(jì)時(shí)要想清楚哪些引腳固定輸入、哪些固定輸出。5.3 按鍵輸入的消抖與中斷替代方案PCF8574沒有中斷引腳按鍵檢測(cè)只能輪詢。實(shí)測(cè)中輪詢頻率設(shè)在10~20ms就夠過高浪費(fèi)CPU過低則按鍵手感遲鈍。按鍵消抖用軟件延時(shí)或定時(shí)器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)處理按下和釋放兩個(gè)沿。我在實(shí)際項(xiàng)目中的做法是用一個(gè)1ms的定時(shí)器每次進(jìn)入中斷掃描一次PCF8574把掃描結(jié)果存入全局變量主循環(huán)里做狀態(tài)機(jī)判斷。這樣子按鍵響應(yīng)時(shí)間1~5ms可調(diào)比較平滑。如果按鍵數(shù)量多且需要睡眠喚醒還是建議換到MCP23017或者AW9523靠外部INT引腳喚醒主控效率和功耗完全不是一個(gè)級(jí)別。6. AW9523進(jìn)階玩法一顆芯片解決LED燈效和按鍵輸入6.1 為什么我會(huì)在項(xiàng)目中轉(zhuǎn)投AW9523最開始用PCF8574做了一批樣機(jī)功能沒問題但客戶提了新需求按鍵要多幾個(gè)LED要做成呼吸效果。用PCF8574做呼吸燈只能在MCU里用PWM模擬8個(gè)LED就要8路PWMMCU的硬件定時(shí)器壓根不夠用。翻資料的時(shí)候看到AW9523發(fā)現(xiàn)它專門為這類場(chǎng)景設(shè)計(jì)內(nèi)部有LED驅(qū)動(dòng)模塊每個(gè)引腳都可以獨(dú)立配置PWM呼吸效果。從項(xiàng)目角度算了一筆賬PCF8574加8路PWM占用的MCU資源、代碼復(fù)雜度、調(diào)試時(shí)間比起AW9523多出來的兩塊多成本完全不劃算。這個(gè)案例也讓我認(rèn)識(shí)到選型不能只看單價(jià)要把整個(gè)BOM成本、開發(fā)工時(shí)、調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)全都算進(jìn)去。6.2 AW9523關(guān)鍵寄存器速覽與配置流程AW9523的寄存器映射比PCF8574復(fù)雜但常用也就那么幾個(gè)。重點(diǎn)提兩個(gè)一個(gè)是0x00的GCRGlobal Control Registerbit0是SWRST軟件復(fù)位另一個(gè)是0x11到0x12的LED模式寄存器把對(duì)應(yīng)位置1后引腳進(jìn)入LED模式此時(shí)輸出由PWM寄存器控制。配置一個(gè)引腳為推挽輸出并做呼吸燈效果的流程如下// 1. 軟件復(fù)位 AW9523_Write(0x00, 0x01); // GCR寫0x01觸發(fā)軟復(fù)位 delay_ms(5); // 2. 配置引腳方向P0_0為輸出 AW9523_Write(0x02, 0xFE); // 方向寄存器1為輸入0為輸出 // 3. 使能P0_0的LED模式 AW9523_Write(0x11, 0x01); // LED模式寄存器bit0對(duì)應(yīng)P0_0 // 4. 設(shè)置呼吸頻率和占空比 AW9523_Write(0x20, 0x80); // 呼吸頻率控制 AW9523_Write(0x21, 0xFF); // 最大電流配置完以后引腳的呼吸效果由硬件自動(dòng)產(chǎn)生MCU只需要在需要改變亮度或頻率時(shí)才寫一次寄存器。我做項(xiàng)目時(shí)一共控制了12路呼吸燈MCU負(fù)載幾乎沒有增加。6.3 AW9523實(shí)際項(xiàng)目中的注意事項(xiàng)AW9523有幾個(gè)坑必須提醒。第一是默認(rèn)狀態(tài)不是推挽。芯片上電后是開漏模式直接驅(qū)動(dòng)LED會(huì)發(fā)現(xiàn)亮度不對(duì)勁或者干脆不亮一定要按上面的配置流程把LED模式打開。第二是中斷腳要加外部上拉。INT引腳是開漏輸出必須接上拉電阻到供電電壓否則電平不確定。我第一次畫板子就忽略了這一點(diǎn)中斷偶爾觸發(fā)偶爾不觸發(fā)排查了半天。第三是地址引腳不能懸空。AW9523有4個(gè)地址引腳數(shù)據(jù)手冊(cè)要求必須接高或接低懸空會(huì)導(dǎo)致地址不穩(wěn)。而PCF8574的地址引腳可以懸空默認(rèn)有內(nèi)部下拉習(xí)慣畫PCB的人容易想當(dāng)然。7. Linux和軟件I2C場(chǎng)景下的擴(kuò)展器調(diào)試技巧7.1 在Linux用戶態(tài)直接操作IO擴(kuò)展器不少嵌入式Linux項(xiàng)目也面臨GPIO不夠用的問題比如RK3229這種主控芯片原生的GPIO被系統(tǒng)占用了一堆想多控制幾個(gè)設(shè)備還得靠擴(kuò)展器。Linux內(nèi)核里已經(jīng)有PCF857x、MCP23017等驅(qū)動(dòng)設(shè)備樹配置好之后擴(kuò)展器引腳會(huì)直接映射成gpiochip應(yīng)用層用libgpiod操作即可。調(diào)試階段最實(shí)用的是i2c-tools工具包里的i2cdetect掃描總線上掛載的設(shè)備地址i2cdetect -y 1輸出如下說明0x20地址上有PCF85740 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f 00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 20: 20 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --遇到掃描不到設(shè)備的情況優(yōu)先檢查上拉電阻是否焊接以及阻值大小SCL和SDA是否接反地址引腳配置是否和代碼一致目標(biāo)設(shè)備供電是否正常。7.2 軟件模擬I2C的時(shí)序要點(diǎn)很多低成本方案用GPIO模擬I2C尤其是BH1750這類對(duì)時(shí)序要求不高的傳感器配合軟件I2C跑得很順。但用軟件模擬I2C驅(qū)動(dòng)PCF8574這類擴(kuò)展器時(shí)時(shí)延參數(shù)特別關(guān)鍵。I2C協(xié)議中起始條件要求SCL高電平時(shí)SDA拉低然后SCL再拉低時(shí)鐘高電平的保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間都有最小要求。如果用GPIO模擬且不加延時(shí)時(shí)鐘頻率可能沖到1MHz以上部分?jǐn)U展器跟不上數(shù)據(jù)出錯(cuò)。實(shí)測(cè)下來軟件模擬I2C的GPIO翻轉(zhuǎn)之間建議加至少1us的延時(shí)總體時(shí)鐘頻率控制在200kHz以內(nèi)穩(wěn)定性和摸查成本都比較好。注意GPIO配置為開漏輸出模式并且在外部加上拉電阻不要用推挽模式去模擬I2C——否則多個(gè)設(shè)備掛同一總線時(shí)電平?jīng)_突會(huì)損壞端口。7.3 快速排查I2C總線被拉死怎么辦實(shí)際調(diào)試中最高頻的故障是總線被拉死現(xiàn)象是SDA或者SCL始終為低電平i2cdetect直接報(bào)總線錯(cuò)誤。原因通常是以下幾種某個(gè)從設(shè)備地址沖突同時(shí)響應(yīng)導(dǎo)致總線混亂設(shè)備供電異常從設(shè)備閂鎖進(jìn)入異常狀態(tài)把SDA拉低通信過程中主控復(fù)位I2C時(shí)序停在半截從設(shè)備在等待后續(xù)時(shí)鐘。解決辦法排優(yōu)先級(jí)來試先把所有從設(shè)備斷開只留擴(kuò)展器看總線是否恢復(fù)再檢查每個(gè)設(shè)備的上拉電阻確保所有上拉都接到電源最后如果主控支持時(shí)鐘恢復(fù)發(fā)9個(gè)SCL脈沖把所有從設(shè)備的狀態(tài)機(jī)復(fù)位。軟件上還有一個(gè)臨時(shí)辦法每包數(shù)據(jù)發(fā)送前先把SDA和SCL都設(shè)置為輸出高手動(dòng)產(chǎn)生幾個(gè)脈沖把從設(shè)備狀態(tài)機(jī)踢回IDLE狀態(tài)。這在Linux和裸機(jī)代碼里都適用。8. 選型決策樹與常見問題速查表8.1 按項(xiàng)目需求快速定位芯片我把這幾年總結(jié)的選型邏輯整理成一套決策判斷鏈拿去套用基本不會(huì)跑偏。先看功能需求需要輸出大于8路且同時(shí)有輸入需求選擇IO擴(kuò)展器。然后看是否有LED呼吸、PWM調(diào)光需求有則優(yōu)先AW9523省MCU資源。如果沒有特殊需求再看是否需要中斷喚醒需要?jiǎng)t選MCP23017或TCA9535不需要?jiǎng)tPCF8574夠用。最后看IO總數(shù)超過16個(gè)IO需求就評(píng)估多顆擴(kuò)展器方案或者換更大引腳的主控。因?yàn)樾酒旧韱蝺r(jià)差異不大MCP23017裸片價(jià)通常也就PCF8574的三四倍但開發(fā)工時(shí)、調(diào)試難度的差別遠(yuǎn)比芯片差價(jià)大。關(guān)鍵還是一句話優(yōu)先把方案做簡(jiǎn)單。8.2 問題排查速查表實(shí)際項(xiàng)目中踩過的坑整理成表格方便現(xiàn)場(chǎng)排查時(shí)對(duì)照故障現(xiàn)象可能原因排查思路與解決方案i2cdetect掃描不到設(shè)備上拉電阻沒焊接或阻值過大檢查SCL/SDA對(duì)電源的4.7k~10k電阻示波器看SDA/SCL波形地址對(duì)了但讀寫無響應(yīng)地址引腳接錯(cuò)或懸空用萬用表量A0/A1/A2的電平確保和軟件配置一致讀按鍵返回值恒為0讀之前沒寫0xFF釋放引腳在讀操作前先寫0xFF把手動(dòng)輸出配置排除掉數(shù)據(jù)偶爾錯(cuò)一兩個(gè)bit總線電容過大、上拉電阻太大換2.2k或1k上拉降低I2C速率到100kHz驗(yàn)證擴(kuò)展器引腳輸出高電平異常開漏結(jié)構(gòu)沒加上拉或上拉阻值大推挽輸出芯片檢查方向寄存器開漏芯片補(bǔ)外部上拉中斷不觸發(fā)中斷腳上拉缺失或中斷寄存器沒使能檢查INT引腳外部上拉逐個(gè)核對(duì)中斷使能寄存器睡眠功耗偏高上拉電阻太小導(dǎo)致靜態(tài)電流過大總線空閑時(shí)關(guān)閉I2C、引腳輸出高優(yōu)化整機(jī)功耗總線上多個(gè)設(shè)備互相干擾從機(jī)地址重疊列出總線地址分配表逐顆核對(duì)地址引腳組合8.3 關(guān)于電平匹配擴(kuò)展器供電3.3V時(shí)IO輸出高電平為3.3V。如果后級(jí)負(fù)載需要5V電平不能直接驅(qū)動(dòng)TCA9535這類芯片雖然供電電壓范圍寬但I(xiàn)O高電平不會(huì)超過供電電壓。做法是輸出控制的負(fù)載如果兼容3.3V邏輯就直接接不兼容就加三極管或MOS管做電平轉(zhuǎn)換。很多人在這里翻了車3.3V供電的PCF8574拉高LED是沒問題的LED壓降1.8V加上限流電阻3.3V減去后還有幾毫安的亮度但用同樣的接法驅(qū)動(dòng)5V繼電器就不行——繼電器線圈需要5V驅(qū)動(dòng)3.3V可能不夠?？刂七@類負(fù)載建議改輸出開漏外部上拉到5V的方式或者直接換5V供電的擴(kuò)展器但要注意此時(shí)I2C總線上拉也要接到5V而主控是3.3V的話要把I2C做電平轉(zhuǎn)換。9. 從擴(kuò)展器到整個(gè)GPIO資源規(guī)劃的思路項(xiàng)目做多了以后我發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展器只是手段真正的核心是資源規(guī)劃。畫原理圖之前先把整板所有需要控制的信號(hào)列個(gè)清單按性質(zhì)分類哪些是固定輸出LED、繼電器、使能腳哪些是固定輸入按鍵、撥碼開關(guān)、傳感器狀態(tài)哪些是雙向且需要頻繁切換數(shù)據(jù)/控制復(fù)用腳。分類之后先用主控的原生GPIO去匹配那些時(shí)序敏感的、需要中斷的、需要模擬特殊協(xié)議的信號(hào)把類型固定、數(shù)量大的用擴(kuò)展器解決這樣主控GPIO的壓力會(huì)小很多。再一個(gè)經(jīng)驗(yàn)是別把擴(kuò)展器放在I2C總線的末端如果總線上還有需要高速通信的傳感器擴(kuò)展器這種低速設(shè)備放在總線的中間或者靠近主控一端總線的電容分布會(huì)更均勻信號(hào)質(zhì)量更好。我以前在畫ESP32的開發(fā)板時(shí)就吃過虧把兩顆PCF8574掛在總線最遠(yuǎn)端總線上還有一個(gè)IMU結(jié)果IMU的400kHz數(shù)據(jù)偶爾被擴(kuò)展器拉歪后來把擴(kuò)展器移到總線上部問題消失。10. 一個(gè)實(shí)際案例ESP32上的I2C IO擴(kuò)展實(shí)戰(zhàn)記錄光說理論顯得虛分享一個(gè)最近給客戶做的實(shí)際項(xiàng)目?？蛻粜枰鲆粔K控制板主控是ESP32IO要控制3路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方向/使能腳6個(gè)輸出、4路按鍵輸入、2路LED指示外加一個(gè)OLED顯示屏。原生GPIO只有十幾個(gè)上面需求一共占了12個(gè)還要留4個(gè)給下載和通訊徹底不夠。方案OLED走硬件I2C總線的0x3C地址擴(kuò)展器掛兩顆PCF8574第一顆地址0x20管按鍵和LED第二顆地址0x21管電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制腳。實(shí)際運(yùn)作中有一個(gè)細(xì)節(jié)值得分享電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制腳在系統(tǒng)初始化時(shí)必須拉到確定電平比如使能為低但PCF8574上電默認(rèn)全高所以電路上我把使能腳設(shè)計(jì)成低電平有效PCF8574默認(rèn)高電平正好讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使能腳處于禁止?fàn)顟B(tài)避免了上電瞬間電機(jī)亂動(dòng)。這就是前面說的“利用上電默認(rèn)狀態(tài)做安全設(shè)計(jì)”選型時(shí)就要想清楚。ESP32這邊Arduino環(huán)境直接能用Adafruit的PCF8574庫初始化后就是一個(gè)digitalRead/digitalWrite的透明接口。實(shí)際測(cè)試延時(shí)大概在幾十微秒級(jí)別對(duì)低速控制完全夠用。如果要用ESP32的硬件I2C記得查一下自己的板子用的Wire.begin的引腳編號(hào)。有些老代碼里寫Wire.begin(4, 5)但新版Arduino-ESP32的引腳分配可能不是這個(gè)接錯(cuò)了總線直接掃不到設(shè)備。11. 最后再聊幾句體己話最開始做擴(kuò)展器選型時(shí)我也被五花八門的型號(hào)搞暈過后來定了一個(gè)原則選最成熟的不選最新的。PCF8574技術(shù)老、資料全、生態(tài)大什么問題都能搜到答案。AWS邏輯里那些新功能是加分項(xiàng)但加分項(xiàng)只有在基礎(chǔ)需求滿足之后才有意義。還有一點(diǎn)是調(diào)試順序。焊接完板子不要急著寫驅(qū)動(dòng)第零步永遠(yuǎn)是裸板量硬件通上電用萬用表量擴(kuò)展器VCC和GND確認(rèn)SCL/SDA的電壓都在高電平一般3.3V或5V然后示波器點(diǎn)一下擴(kuò)展器SCL引腳和主控發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)是否有波形。這一步?jīng)]問題了再跑軟件掃描。希望大家做完這個(gè)項(xiàng)目不只是拿到一塊能用的板子而是真正把I2C這套總線協(xié)議、擴(kuò)展器選型邏輯和調(diào)試方法沉淀下來。以后不管是I2C擴(kuò)展器還是別的I2C從設(shè)備只要總線通信有問題都能靠這套思路自己去定位而不至于到處搜帖子看代碼。12. 擴(kuò)展器常見參數(shù)對(duì)比表匯總把目前最常用的幾款I(lǐng)o擴(kuò)展器再匯總成一張表方便畫板前對(duì)照查閱。參數(shù)PCF8574MCP23017TCA9535AW9523I2C地址范圍0x20~0x270x20~0x270x20~0x270x40~0x4F16個(gè)組合輸出模式開漏推挽推挽推挽/開漏可選中斷引腳無2個(gè)2個(gè)1個(gè)輸入內(nèi)部上拉無有可配置無有可配置LED驅(qū)動(dòng)無需外接限流電阻無但灌電流能力強(qiáng)無有內(nèi)置PWM呼吸燈電壓范圍2.5V~5.5V1.8V~5.5V1.65V~5.5V1.8V~5V常用封裝SOIC-16/TSSOP-16SOIC-28/SSOP-28SOIC-16/TSSOP-16QFN-24選型時(shí)先把這張表存下來對(duì)照自己的需求圈定1~2款再去看完整的數(shù)據(jù)手冊(cè)。13. 關(guān)于驅(qū)動(dòng)庫與代碼移植的補(bǔ)充很多朋友會(huì)問要不要用現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)庫。我的建議如果是快速原型驗(yàn)證用現(xiàn)成的庫完全沒問題省時(shí)間如果是做量產(chǎn)產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)代碼建議自己寫因?yàn)楝F(xiàn)有庫通常做了太多兼容判斷效率不高而且有些庫的接口和硬件平臺(tái)綁定移植到新主控反而處處受限。自己寫I2C擴(kuò)展器驅(qū)動(dòng)其實(shí)很薄很薄。以PCF8574為例核心就兩個(gè)函數(shù)寫一個(gè)字節(jié)、讀一個(gè)字節(jié)。底層I2C如果自己的工程里已經(jīng)有穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)那擴(kuò)展器驅(qū)動(dòng)就是上面代碼里的幾行而已。與其花時(shí)間去理解一個(gè)幾百行的庫不如看手冊(cè)搞明白芯片內(nèi)部寄存器自己動(dòng)手寫20分鐘就搞定。另外提醒一下用HAL庫的朋友STM32CubeMX生成的I2C代碼默認(rèn)是輪詢模式配合擴(kuò)展器讀寫沒問題但禁止在中斷回調(diào)函數(shù)里直接調(diào)用HAL_I2C_Master_TransmitI2C通信時(shí)序會(huì)被中斷搶斷導(dǎo)致錯(cuò)誤。我自己遇到過幾次HAL庫標(biāo)志位卡死的情況換為定時(shí)器輪詢方式之后世界清凈了。寫到最后還是那句話工具是拿來用的不是拿來供的。I2C IO擴(kuò)展器很簡(jiǎn)單但用好的前提是對(duì)芯片特性、總線機(jī)制和你的應(yīng)用場(chǎng)景都心里有數(shù)。希望大家看完這篇文章能少踩幾個(gè)我當(dāng)年踩過的坑做板子順順利利。