【51单片机快速入门指南】4.5：I2C 与 TCA6416实现双向 IO 扩展
目錄
- 硬知識
- IO 擴展芯片 TCA6416A
- TAC6416A 的寄存器
- IO 輸入寄存器
- IO 輸出寄存器
- IO 反相寄存器
- IO 方向寄存器
- TCA6416A 的操作
- TCA6416A 寫數(shù)據(jù)
- TCA6416A 讀數(shù)據(jù)
- TCA6416A 的 IO 輸入寄存器
- 硬件布局
- 示例程序
- TCA6416A.c
- TCA6416A.h
- 測試程序
- main.c
- 實驗現(xiàn)象
普中51-單核-A2
STC89C52
MSP430G2553 Launchpad 擴展板
Keil uVision V5.29.0.0
PK51 Prof.Developers Kit Version:9.60.0.0
上位機：Vofa+ 1.3.10
???????摘自《Launchpad口袋實驗平臺（指導(dǎo)書）》、《AY-G2PL KIT_用戶手冊》
硬知識
???????對于低速的 IO，可以通過串行轉(zhuǎn)并行的方法擴展。1 片 I2C 接口控制的 IO 擴展芯片 TCA6416A可為 單片機額外擴展出 16 個雙向 IO。
???????擴展輸出口的方法其實就是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)輸出，串入并出移位寄存器加一個鎖存器就可以將串行轉(zhuǎn)并行輸出（也就是擴展了 IO 口），比如 74 系列通用數(shù)字邏輯器件74HC595，可以任意級聯(lián)擴展輸出口。
???????串行轉(zhuǎn)并行的代價就是速度會變慢，理論上，1 串轉(zhuǎn) 16 并輸出，速度至少要降 16 倍。假如普通 IO 翻轉(zhuǎn)電平的速度是 1MHz，轉(zhuǎn) 16 并輸出后，速度將降為 62.5kHz。這個速度對于很多應(yīng)用已綽綽有余，比如和人有關(guān)的輸入輸出設(shè)備（鍵盤、段式 LCD/LED 驅(qū)動、點陣LCD/LED 驅(qū)動等）。
???????擴展輸入口的方法類似，只不過使用的是并入串出的移位寄存器。
IO 擴展芯片 TCA6416A
???????類似 74HC595 的串并轉(zhuǎn)換芯片雖然廉價，但是它只能擴展輸出口，不能同時擴展出雙向IO 口。而TCA6416A則是基于 I2C 控制的雙向 IO 擴展芯片。
TAC6416A 的寄存器
???????首先我們把 TCA6416A 擴展出的 16 個普通 IO 口，理解為成單片機的 P0 和 P1 口，CPU對 IO 口的讀寫實際上都是通過寄存器這個中介進行的。其次，參考圖 12.3 的移位寄存器原理，擴展出的 IO 也是無法位操作的，讀寫都必須多位同時進行。TAC6416A 的寄存器設(shè)計其實很好理解，共 4 組寄存器，我們不妨先分析一下需要哪 4 組。
???????CPU 對于 IO 口的操作有置 1，置 0 和取反三種，單片機可以通過先讀出 IO 狀態(tài)，再做異或邏輯的辦法實現(xiàn)取反。但是在 TCA6416A 中，就必須先用 I2C 協(xié)議讀 Input Port Registers ，CPU 運算后，再用 I2C 寫 Output Port Registers ，這個時間非常長。所以TCA6416A 直接就集成了硬件 IO 電平翻轉(zhuǎn)電路，相當于“復(fù)雜指令集”了一回。
???????實際的 TCA6416A 寄存器，使用 TCA6416A 的過程就是配置這幾個寄存器。
IO 輸入寄存器
IO 輸出寄存器
IO 反相寄存器
IO 方向寄存器
TCA6416A 的操作
TCA6416A 寫數(shù)據(jù)
???????對 TCA6416A 來說，可能要寫 3 種數(shù)據(jù)，IO 輸出電平寄存器，IO 方向寄存器，IO 電平極性翻轉(zhuǎn)寄存器，3 個寄存器都影響實際的 IO 輸出，所以這 3 者的地位是完全平等的，寫的方法也一樣。
???????如圖 12.9 所示為 TCA6416A 的寫寄存器操作時序圖。原說明書中將寫 IO 與寫寄存器分開畫圖，其實這完全沒有必要，寫 IO 的本質(zhì)還是寫寄存器。一次完整的寫寄存器分 4 部分：
TCA6416A 讀數(shù)據(jù)
???????單片機在真正讀 TCA6416A 數(shù)據(jù)前，需要寫命令告訴 TCA6416A 是操作哪個寄存器。然后才是真正的讀數(shù)據(jù)。寫命令需要 2 字節(jié)，從機地址+命令。讀數(shù)據(jù)需要 3 個字節(jié)，從機地址+低位數(shù)據(jù)+高位數(shù)據(jù)。
TCA6416A 的 IO 輸入寄存器
???????如圖 12.11 所示為讀 IO 輸入寄存器的“讀數(shù)據(jù)”操作時序圖部分（即為圖 12.10 的后半部分，不包括寫命令部分）。為了把個各種異常情況下的現(xiàn)象都描述清楚，圖 12.11 做的非常復(fù)雜。
???????只需注意，圖中 IO 電平共變化了 5 次，而實際被單片機讀到的卻是兩次鎖存 IO 電平時刻對應(yīng)的數(shù)據(jù) Data1 和數(shù)據(jù) Data4。
???????為了模擬普通 IO 的輸入中斷，TAC6416A 啟用了一個類似的/INT 中斷來提示輸入 IO 有變化。但是由于 IO 輸入的變化速度可能遠高于讀 IO 輸入寄存器的速度，所以，TAC6416A的中斷和單片機的 IO 外部中斷還不太一樣。輸入 IO 的變化可以觸發(fā)/INT 產(chǎn)生下降沿變成低電平，但是/INT 要等 I2C 的應(yīng)答位才能恢復(fù)高電平（重新具備中斷能力）。也就是說，TCA6416A 的/INT 中斷無法響應(yīng)快速變化的輸入信號，當然我們也可以不用中斷的方法判斷IO 輸入，定時掃描的方法同樣適用于 TCA6416A。
硬件布局
如圖所示，擴展出 16 個 IO 口中，8 個作為輸出口用于控制 8 個 LED，4 個作為輸
出口用于控制 LCD 驅(qū)動器（這個另行介紹），4 個作為輸入口用于識別 4 個機械按鍵。
下圖所示為 8 個 LED 以及 4 個機械按鍵在擴展板中的位置
示例程序
???????stdint.h見【51單片機快速入門指南】1：基礎(chǔ)知識和工程創(chuàng)建
???????軟件I2C程序見【51單片機快速入門指南】4： 軟件 I2C
TCA6416A.c
/** TCA6416A.c** Created on: 2013-4-6* Author: Administrator*/ #include "./Software_I2C/Software_I2C.h"#define TCA6416A_ADDR 0x20 /*從機TCA6416A的7位地址*///-----控制寄存器定義----- #define In_CMD0 0x00 //讀取管腳輸入狀態(tài)寄存器；只讀 #define In_CMD1 0x01 #define Out_CMD0 0x02 //控制管腳輸出狀態(tài)寄存器；R/W #define Out_CMD1 0x03 #define PIVS_CMD0 0x04 //反向控制管腳輸出狀態(tài)寄存器；R/W #define PIVS_CMD1 0x05 #define CFG_CMD0 0x06 //管腳方向控制：1：In；0:：Out。 #define CFG_CMD1 0x07volatile unsigned int TCA6416A_InputBuffer=0; unsigned char pinW0 = 0xff; //用于緩存已寫入相應(yīng)管腳的狀態(tài)信息，此操作避免讀回TCA6416A中當前寄存器的值 unsigned char pinW1 = 0xff; //用于緩存已寫入相應(yīng)管腳的狀態(tài)信息，此操作避免讀回TCA6416A中當前寄存器的值void Delay_ms(int i);/******************************************************************************************************* 名 稱：TCA6416A_Init()******************************************************************************************************/ void TCA6416A_Init(void) {unsigned char conf;Delay_ms(5); //TCA6416的復(fù)位時間比單片機長，延遲確保可靠復(fù)位//----根據(jù)擴展板的引腳使用，將按鍵所在管腳初始化為輸入，其余管腳初始化為輸出conf = 0x00; // 0 0 0 0_0 0 0 0 （LED0~LED7）i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, CFG_CMD0, &conf, 1); conf = 0x0f; // 0 0 0 0_1 1 1 1 (按鍵)i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, CFG_CMD1, &conf, 1); //----上電先將管腳輸出為高（此操作對輸入管腳無效）conf = 0xff; // 某位置1，輸出為高，0為低i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &conf, 1);conf = 0xff; i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &conf, 1); }/******************************************************************************************************* 名 稱：PinOUT()******************************************************************************************************/ void PinOUT(unsigned char pin,unsigned char status) {if(pin<=7) //所選管腳為pin0~pin7 ，刷新所要操作的輸出緩存pinW0 狀態(tài){if(status == 0)pinW0 &= ~(1<<pin);elsepinW0 |= 1<<pin; i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &pinW0, 1); // 將更新后的數(shù)據(jù)包，寫入芯片寄存器}else if(pin>=10 && pin<=17) //所選管腳為pin10~pin17 ，刷新所要操作的輸出緩存pinW1 狀態(tài){if(status == 0)pinW1 &= ~(1<<(pin%10));elsepinW1 |= 1<<(pin%10);i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &pinW1, 1); // 將更新后的數(shù)據(jù)包，寫入芯片寄存器} }/******************************************************************************************************* 名 稱：PinIN()******************************************************************************************************/ unsigned char PinIN(unsigned char pin) {unsigned char temp[2];i2c_mem_read(TCA6416A_ADDR, In_CMD0, temp, 2); // 讀取按鍵所在管腳信息TCA6416A_InputBuffer = (((unsigned int)temp[1])<<8)|temp[0];if(pin<=7) {if(temp[0] & (1<<pin))return 1;elsereturn 0;}else if(pin>=10 && pin<=17) {if(temp[1] & (1<<(pin%10)))return 1;elsereturn 0;} }/******************************************************************************************************* 名 稱：PinToggle()******************************************************************************************************/ void PinToggle(unsigned char pin) {unsigned char status;if(pin<=7) //所選管腳為pin0~pin7 ，刷新所要操作的輸出緩存pinW0 狀態(tài){status = !(pinW0 & (1<<pin));if(status)pinW0 |= 1<<pin;elsepinW0 &= ~(1<<pin);i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &pinW0, 1); // 將更新后的數(shù)據(jù)包，寫入芯片寄存器}else if(pin>=10 && pin<=17) //所選管腳為pin10~pin17 ，刷新所要操作的輸出緩存pinW1 狀態(tài){status = !(pinW1 & (1<<(pin%10)));if(status)pinW1 |= 1<<(pin%10);elsepinW1 &= ~(1<<(pin%10));i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &pinW1, 1); // 將更新后的數(shù)據(jù)包，寫入芯片寄存器} }TCA6416A.h
/** TCA6416A.h** Created on: 2013-4-6* Author: Administrator*/#ifndef TCA6416A_H_ #define TCA6416A_H_extern unsigned char PinIN(unsigned char pin); extern void PinOUT(unsigned char pin,unsigned char status); extern void PinToggle(unsigned char pin); extern void TCA6416A_Init(); extern volatile unsigned int TCA6416A_InputBuffer;#endif /* TCA6416A_H_ */測試程序
一個LED閃爍，另一個LED由KEY控制翻轉(zhuǎn)。
main.c
#include <STC89C5xRC.H> #include "intrins.h" #include "stdint.h" #include "TCA6416A.h"void Delay1ms() //@11.0592MHz {unsigned char i, j;_nop_();i = 2;j = 199;do{while (--j);} while (--i); }void Delay_ms(int i) {while(i--)Delay1ms(); }void main(void) {uint16_t delay_count = 0;TCA6416A_Init();while(1){ if(!PinIN(10)){Delay_ms(20);if(!PinIN(10)){PinToggle(1);while(!PinIN(10));}}if(++delay_count == 500){PinToggle(7);delay_count = 0;}Delay_ms(1);} }實驗現(xiàn)象
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【51单片机快速入门指南】4.5：I2C 与 TCA6416实现双向 IO 扩展的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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