PCF8574T：I2C總線擴(kuò)展器芯片深度解析

1. 引言：I2C總線與PCF8574T的誕生背景

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，微控制器（MCU）與各種外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信是核心功能。然而，微控制器I/O引腳數(shù)量有限的問題，常常成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的瓶頸。為了解決這一挑戰(zhàn)，各種I/O擴(kuò)展技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中，I2C（Inter-Integrated Circuit）總線以其簡潔的雙線制（SCL時(shí)鐘線和SDA數(shù)據(jù)線）、多主多從、短距離通信、低功耗等優(yōu)勢，成為嵌入式系統(tǒng)中最常用的串行通信協(xié)議之一。然而，即使是I2C總線，其所能連接的設(shè)備數(shù)量也受到地址空間的限制。當(dāng)系統(tǒng)中需要連接大量I/O設(shè)備，如LED、按鍵、繼電器，或者需要擴(kuò)展更多的通用I/O端口時(shí)，單純依靠微控制器自身的I2C接口就顯得捉襟見肘。

正是在這樣的背景下，PCF8574T應(yīng)運(yùn)而生。PCF8574T是恩智浦（NXP，原飛利浦半導(dǎo)體）公司生產(chǎn)的一款8位I2C總線I/O擴(kuò)展器。它的核心功能是允許微控制器通過I2C總線來控制或讀取多達(dá)8個(gè)額外的通用I/O引腳，從而有效解決了微控制器I/O資源緊張的問題。通過引入PCF8574T，設(shè)計(jì)者可以極大地簡化硬件設(shè)計(jì)，減少布線復(fù)雜度，降低成本，并提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。它在工業(yè)控制、消費(fèi)電子、智能家居、自動(dòng)化設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，是I2C生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。

2. 芯片概述與核心特性

PCF8574T是一款低功耗的CMOS器件，專門設(shè)計(jì)用于通過I2C總線進(jìn)行遠(yuǎn)程8位I/O擴(kuò)展。它的設(shè)計(jì)理念是在保證功能性的同時(shí)，最大限度地簡化接口，提高系統(tǒng)集成度。該芯片的主要特點(diǎn)包括：

• I2C總線接口： PCF8574T完全兼容I2C總線標(biāo)準(zhǔn)，支持標(biāo)準(zhǔn)的100kHz和快速模式400kHz通信速率。這意味著它可以與任何支持I2C協(xié)議的微控制器無縫連接。通過兩根信號(hào)線（SDA和SCL）就可以實(shí)現(xiàn)微控制器與PCF8574T之間的數(shù)據(jù)交換，極大地簡化了系統(tǒng)布線。

• 8位準(zhǔn)雙向I/O引腳： PCF8574T提供了8個(gè)獨(dú)立的I/O引腳，通常標(biāo)記為P0到P7。這些引腳是“準(zhǔn)雙向”的，這意味著它們既可以作為輸入也可以作為輸出。這種設(shè)計(jì)是PCF8574T的一個(gè)關(guān)鍵特性，使其在很多應(yīng)用中表現(xiàn)出極大的靈活性。當(dāng)引腳配置為輸出時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)LED、繼電器等負(fù)載；當(dāng)配置為輸入時(shí)，可以讀取按鍵狀態(tài)、傳感器信號(hào)等。

• 高驅(qū)動(dòng)能力： 雖然是CMOS器件，但PCF8574T的I/O引腳具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，可以提供足夠的電流來驅(qū)動(dòng)LED等小型負(fù)載，或者作為電平轉(zhuǎn)換的緩沖器。具體驅(qū)動(dòng)電流需要查閱數(shù)據(jù)手冊，但通常足以滿足多數(shù)通用I/O需求。

• 中斷輸出引腳（INT）： PCF8574T提供了一個(gè)開漏（Open-Drain）中斷輸出引腳INT。當(dāng)任何一個(gè)P0-P7引腳的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)（例如，從高電平變?yōu)榈碗娖?，或從低電平變?yōu)楦唠娖剑?，INT引腳就會(huì)被拉低。這為微控制器提供了一種高效的事件通知機(jī)制，避免了持續(xù)輪詢PCF8574T的I/O狀態(tài)，從而節(jié)省了微控制器的CPU資源。微控制器可以通過檢測INT引腳的下降沿來判斷PCF8574T的I/O狀態(tài)是否發(fā)生變化，然后通過I2C總線讀取PCF8574T的端口數(shù)據(jù)來確定具體是哪個(gè)引腳發(fā)生了變化。

• 地址選擇引腳（A0, A1, A2）： PCF8574T通常有3個(gè)硬件地址選擇引腳（A0、A1、A2），通過將它們連接到VCC或GND，可以設(shè)置芯片的I2C從設(shè)備地址。這使得在同一I2C總線上可以連接多達(dá)8個(gè)PCF8574T芯片（2^3 = 8），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)64個(gè)（8個(gè)芯片 * 8個(gè)I/O引腳/芯片）I/O端口的擴(kuò)展。這種可尋址性是構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵。

• 寬電源電壓范圍： PCF8574T支持較寬的電源電壓范圍，通常為2.5V至6V，使其能夠兼容3.3V和5V等多種常見的微控制器系統(tǒng)電壓。這增加了其在不同應(yīng)用中的通用性。

• 低待機(jī)電流： 作為一款低功耗器件，PCF8574T在待機(jī)模式下消耗的電流極低，這對(duì)于電池供電的便攜式設(shè)備尤為重要。

3. 芯片引腳定義與功能

PCF8574T通常采用SOIC、DIP等封裝形式，其典型引腳定義如下（以SOIC-16封裝為例，具體引腳號(hào)可能因封裝而異，請務(wù)必參考具體數(shù)據(jù)手冊）：

• VCC (Pin 16): 電源正極輸入。

• GND (Pin 8): 地線。

• SCL (Pin 14): I2C總線時(shí)鐘線。用于同步數(shù)據(jù)傳輸。

• SDA (Pin 15): I2C總線數(shù)據(jù)線。雙向數(shù)據(jù)傳輸。

• A0 (Pin 3), A1 (Pin 2), A2 (Pin 1): 地址選擇引腳。通過連接高電平（VCC）或低電平（GND）來設(shè)置芯片的最低三位I2C從設(shè)備地址。

• P0 (Pin 4), P1 (Pin 5), P2 (Pin 6), P3 (Pin 7), P4 (Pin 9), P5 (Pin 10), P6 (Pin 11), P7 (Pin 12): 8個(gè)準(zhǔn)雙向I/O引腳。

• INT (Pin 13): 中斷輸出引腳。開漏輸出，當(dāng)任何I/O引腳狀態(tài)改變時(shí)，此引腳被拉低。

這些引腳的合理連接和配置是PCF8574T正常工作的基本前提。特別是I2C總線上的SCL和SDA引腳需要外部上拉電阻，這是I2C總線協(xié)議的要求，用于在空閑時(shí)將總線拉高，并允許開漏驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行低電平有效傳輸。

4. 準(zhǔn)雙向I/O端口的工作原理

PCF8574T的“準(zhǔn)雙向”I/O端口是其最獨(dú)特且需要深入理解的特性。與其他一些I/O擴(kuò)展器（如MCP23017）的I/O端口可以軟件配置為輸入或輸出不同，PCF8574T的每個(gè)I/O引腳都內(nèi)部連接了一個(gè)弱上拉電阻和一個(gè)強(qiáng)下拉晶體管。

輸出模式：當(dāng)微控制器通過I2C總線向PCF8574T的某個(gè)I/O引腳寫入數(shù)據(jù)“1”時(shí)，內(nèi)部的強(qiáng)下拉晶體管被關(guān)斷，該引腳通過內(nèi)部弱上拉電阻被拉高到VCC。此時(shí)，該引腳處于高阻態(tài)，可以被外部電路拉低。當(dāng)微控制器寫入數(shù)據(jù)“0”時(shí)，內(nèi)部的強(qiáng)下拉晶體管被導(dǎo)通，將該引腳強(qiáng)制拉低到GND。因此，作為輸出時(shí)，寫入“1”表示高電平（但弱上拉，易被外部拉低），寫入“0”表示低電平（強(qiáng)下拉）。

輸入模式：要將PCF8574T的某個(gè)I/O引腳作為輸入使用，需要先向該引腳寫入數(shù)據(jù)“1”。此時(shí)，內(nèi)部的強(qiáng)下拉晶體管被關(guān)斷，引腳通過內(nèi)部弱上拉電阻被拉高。如果外部設(shè)備將該引腳拉低，PCF8574T內(nèi)部的輸入緩沖器會(huì)檢測到低電平。如果外部設(shè)備釋放該引腳（或輸出高電平），由于內(nèi)部弱上拉電阻的作用，引腳電平將恢復(fù)到高電平。微控制器隨后可以通過I2C總線讀取PCF8574T的端口寄存器來獲取當(dāng)前引腳的狀態(tài)。

需要注意的是：

• 當(dāng)作為輸入時(shí)，如果外部信號(hào)源是推挽輸出，則PCF8574T的弱上拉電阻不會(huì)對(duì)外部信號(hào)產(chǎn)生顯著影響。

• 如果外部信號(hào)源是開漏輸出，或者需要外部設(shè)備提供拉高能力，則PCF8574T的弱上拉電阻會(huì)提供一個(gè)默認(rèn)的高電平，但其拉高能力有限，對(duì)于需要強(qiáng)拉高或高頻信號(hào)的應(yīng)用可能不適用。

• 這種準(zhǔn)雙向特性使得PCF8574T非常適合連接按鍵（按鍵按下時(shí)將引腳拉低，釋放時(shí)弱上拉使引腳為高）或驅(qū)動(dòng)LED（寫入0點(diǎn)亮，寫入1熄滅）。

理解這種準(zhǔn)雙向特性對(duì)于正確使用PCF8574T至關(guān)重要。錯(cuò)誤的配置可能導(dǎo)致I/O引腳無法正常工作或損壞芯片。

5. I2C總線通信協(xié)議與PCF8574T

PCF8574T作為I2C從設(shè)備，其與微控制器（主設(shè)備）的通信遵循標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議。

5.1 I2C總線基礎(chǔ)

• SDA (串行數(shù)據(jù)線): 雙向數(shù)據(jù)線，用于傳輸數(shù)據(jù)。

• SCL (串行時(shí)鐘線): 時(shí)鐘線，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。

• 主設(shè)備與從設(shè)備: I2C總線允許多個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備共存于同一總線。在PCF8574T的應(yīng)用中，微控制器通常作為主設(shè)備，PCF8574T作為從設(shè)備。

• 傳輸過程: 每次數(shù)據(jù)傳輸都由主設(shè)備發(fā)起，以一個(gè)起始條件（Start Condition）開始，接著是從設(shè)備地址（Slave Address）發(fā)送，然后是讀/寫位（R/W bit），從設(shè)備應(yīng)答（ACK），接著是數(shù)據(jù)傳輸，最后以一個(gè)停止條件（Stop Condition）結(jié)束。

5.2 PCF8574T的從設(shè)備地址

PCF8574T的7位從設(shè)備地址由固定部分和可變部分組成。通常，其固定部分是0100。可變部分由A2、A1、A0三個(gè)引腳決定。例如，如果A2、A1、A0都接地（GND），則從設(shè)備地址為0100 000 (二進(jìn)制)，即0x20 (十六進(jìn)制)。如果A2、A1、A0都接VCC，則從設(shè)備地址為0100 111 (二進(jìn)制)，即0x27 (十六進(jìn)制)。

這里的G表示接地（GND），V表示接高電平（VCC）。

注： 在I2C通信中，實(shí)際發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)是8位，包括7位從設(shè)備地址和1位讀/寫位。因此，如果7位地址是0x20，對(duì)于寫操作，發(fā)送的8位地址是0x40 (0100 0000)；對(duì)于讀操作，發(fā)送的8位地址是0x41 (0100 0001)。

5.3 寫操作（向PCF8574T輸出數(shù)據(jù)）

當(dāng)微控制器希望通過PCF8574T控制I/O引腳的狀態(tài)時(shí)，需要執(zhí)行寫操作。流程如下：

1. 發(fā)送起始條件： 主設(shè)備在SCL為高電平時(shí)將SDA拉低。

2. 發(fā)送從設(shè)備地址和寫位： 主設(shè)備發(fā)送7位PCF8574T的從設(shè)備地址，接著發(fā)送一個(gè)“0”表示寫操作。

3. 從設(shè)備應(yīng)答（ACK）： 如果從設(shè)備地址匹配，PCF8574T會(huì)拉低SDA線進(jìn)行應(yīng)答。

4. 發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)： 主設(shè)備發(fā)送一個(gè)8位數(shù)據(jù)字節(jié)。這個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的每一位對(duì)應(yīng)PCF8574T的一個(gè)I/O引腳（D0對(duì)應(yīng)P0，D1對(duì)應(yīng)P1，以此類推）。如果發(fā)送“0”，則對(duì)應(yīng)的I/O引腳被強(qiáng)下拉為低電平；如果發(fā)送“1”，則對(duì)應(yīng)的I/O引腳通過弱上拉電阻被拉高。

5. 從設(shè)備應(yīng)答（ACK）： PCF8574T接收到數(shù)據(jù)字節(jié)后，會(huì)進(jìn)行應(yīng)答。

6. 發(fā)送停止條件： 主設(shè)備在SCL為高電平時(shí)將SDA拉高，結(jié)束通信。

示例：假設(shè)PCF8574T地址為0x20，要將P0設(shè)置為低電平，P1設(shè)置為高電平，P2-P7設(shè)置為高電平（即端口值為0b11111110 = 0xFE）。 通信序列：Start -> 0x40 (地址+寫) -> ACK -> 0xFE (數(shù)據(jù)) -> ACK -> Stop

5.4 讀操作（從PCF8574T讀取數(shù)據(jù)）

當(dāng)微控制器希望讀取PCF8574T的I/O引腳狀態(tài)時(shí)，需要執(zhí)行讀操作。流程如下：

1. 發(fā)送起始條件： 主設(shè)備在SCL為高電平時(shí)將SDA拉低。

2. 發(fā)送從設(shè)備地址和讀位： 主設(shè)備發(fā)送7位PCF8574T的從設(shè)備地址，接著發(fā)送一個(gè)“1”表示讀操作。

3. 從設(shè)備應(yīng)答（ACK）： 如果從設(shè)備地址匹配，PCF8574T會(huì)拉低SDA線進(jìn)行應(yīng)答。

4. 接收數(shù)據(jù)字節(jié)： PCF8574T將當(dāng)前其所有I/O引腳的狀態(tài)以一個(gè)8位數(shù)據(jù)字節(jié)的形式發(fā)送給主設(shè)備。該字節(jié)的每一位代表對(duì)應(yīng)I/O引腳的當(dāng)前電平（0表示低電平，1表示高電平）。

5. 主設(shè)備應(yīng)答/非應(yīng)答（ACK/NACK）： 主設(shè)備接收到數(shù)據(jù)字節(jié)后，通常會(huì)發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答（NACK）表示不再需要更多數(shù)據(jù)，或者發(fā)送應(yīng)答（ACK）如果PCF8574T支持多次字節(jié)讀?。≒CF8574T通常只返回一個(gè)字節(jié)）。

6. 發(fā)送停止條件： 主設(shè)備在SCL為高電平時(shí)將SDA拉高，結(jié)束通信。

示例：假設(shè)PCF8574T地址為0x20，要讀取當(dāng)前端口狀態(tài)。 通信序列：Start -> 0x41 (地址+讀) -> ACK -> (PCF8574T發(fā)送數(shù)據(jù)，例如0xEF) -> NACK -> Stop主設(shè)備接收到的0xEF就是P0-P7的當(dāng)前狀態(tài)。

6. 中斷引腳（INT）的使用

PCF8574T的中斷引腳（INT）是一個(gè)非常有用的功能，它避免了微控制器頻繁地輪詢PCF8574T的端口狀態(tài)，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和效率。

6.1 中斷引腳的特性

• 開漏輸出： INT引腳是開漏輸出，這意味著它在默認(rèn)情況下是高阻態(tài)（由外部上拉電阻拉高）。當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)，內(nèi)部晶體管導(dǎo)通，將INT引腳拉低到GND。

• 電平變化觸發(fā)： 只要PCF8574T的任何一個(gè)I/O引腳（P0-P7）的電平狀態(tài)發(fā)生變化（無論是從高到低還是從低到高），INT引腳就會(huì)被拉低。

• 中斷清除： 中斷狀態(tài)在微控制器成功讀取PCF8574T的端口數(shù)據(jù)后自動(dòng)清除。當(dāng)微控制器讀取了PCF8574T的數(shù)據(jù)后，INT引腳就會(huì)被釋放（變?yōu)楦咦钁B(tài)，被外部上拉電阻拉高），直到下一次有I/O引腳狀態(tài)變化時(shí)再次被拉低。

6.2 中斷引腳的應(yīng)用場景

中斷引腳非常適合連接按鍵矩陣或各種傳感器。例如，當(dāng)PCF8574T的P0-P7引腳連接了一排按鍵時(shí)，任何按鍵的按下或釋放都會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的引腳狀態(tài)變化，從而觸發(fā)INT中斷。微控制器檢測到INT引腳的下降沿后，就可以知道有按鍵操作發(fā)生，然后通過I2C總線讀取PCF8574T的端口數(shù)據(jù)來判斷具體是哪個(gè)按鍵被按下或釋放。

6.3 中斷處理流程

1. 初始化： 將INT引腳連接到微控制器的一個(gè)通用I/O引腳，并配置該引腳為外部中斷輸入（通常是下降沿觸發(fā)）。同時(shí)，在INT引腳外部連接一個(gè)合適的上拉電阻（通常為4.7kΩ到10kΩ）。

2. 設(shè)置PCF8574T： 在初始化PCF8574T時(shí)，需要向其所有作為輸入的引腳寫入“1”，使其通過弱上拉處于高電平待機(jī)狀態(tài)，以便能夠檢測到外部的低電平輸入。

3. 等待中斷： 微控制器進(jìn)入正常工作模式，并等待INT引腳觸發(fā)中斷。

4. 中斷服務(wù)程序（ISR）： 當(dāng)INT引腳產(chǎn)生下降沿中斷時(shí)，微控制器進(jìn)入中斷服務(wù)程序：

• 讀取PCF8574T端口數(shù)據(jù)： 通過I2C總線執(zhí)行讀操作，讀取PCF8574T的8位端口數(shù)據(jù)。這個(gè)操作會(huì)清除PCF8574T內(nèi)部的中斷標(biāo)志，使得INT引腳被釋放（變?yōu)楦唠娖剑?/span>

• 處理I/O狀態(tài)變化： 對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是哪個(gè)或哪些I/O引腳發(fā)生了變化。例如，可以與上一次讀取的端口數(shù)據(jù)進(jìn)行異或操作，找出變化的位。

• 執(zhí)行相應(yīng)操作： 根據(jù)I/O狀態(tài)變化執(zhí)行相應(yīng)的邏輯，如更新LED狀態(tài)、處理按鍵事件等。

• 清除中斷標(biāo)志并退出ISR： 清除微控制器內(nèi)部的中斷標(biāo)志，并從中斷服務(wù)程序返回。

重要提示： 由于INT引腳是開漏輸出，因此必須外接上拉電阻到VCC，否則INT引腳將一直保持低電平或處于不確定狀態(tài)，導(dǎo)致中斷無法正常工作。

7. 典型應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)考慮

7.1 基本連接電路

一個(gè)典型的PCF8574T應(yīng)用電路如下：

• 電源連接： VCC連接到系統(tǒng)電源（如3.3V或5V），GND連接到系統(tǒng)地。

• I2C總線連接：

• SCL連接到微控制器的SCL引腳。

• SDA連接到微控制器的SDA引腳。

• SCL和SDA都需要連接一個(gè)上拉電阻到VCC（通常為4.7kΩ）。

• 地址選擇引腳： A0、A1、A2引腳根據(jù)所需的I2C地址連接到VCC或GND。

• I/O引腳連接： P0-P7引腳連接到需要擴(kuò)展的外部設(shè)備。

• 作為輸出： 可以直接驅(qū)動(dòng)LED（需要串聯(lián)限流電阻）、小型繼電器（通過晶體管驅(qū)動(dòng)）或作為其他芯片的控制信號(hào)。

• 作為輸入： 可以連接按鍵（按鍵一端接地，另一端連接到P引腳，P引腳內(nèi)部弱上拉提供高電平）、傳感器輸出（需要注意電平匹配）。

• 中斷引腳連接： INT引腳連接到微控制器的一個(gè)外部中斷輸入引腳，并連接一個(gè)上拉電阻到VCC。

7.2 設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)

• 電源去耦： 在PCF8574T的VCC和GND引腳之間，靠近芯片放置一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，用于濾除電源噪聲，確保芯片穩(wěn)定工作。

• I2C上拉電阻選擇： 上拉電阻的阻值取決于I2C總線的速度、總線上的設(shè)備數(shù)量以及總線電容。對(duì)于100kHz的標(biāo)準(zhǔn)模式，通常使用4.7kΩ電阻；對(duì)于400kHz的快速模式，可能需要更小的電阻，如1kΩ到2.2kΩ。電阻過大可能導(dǎo)致信號(hào)上升時(shí)間過長，影響通信速度；電阻過小會(huì)增加功耗。

• 多芯片連接： 當(dāng)連接多個(gè)PCF8574T時(shí)，每個(gè)芯片的A0、A1、A2引腳需要設(shè)置不同的組合，以確保它們具有唯一的I2C地址。所有芯片的SDA、SCL和INT引腳可以并聯(lián)到I2C總線和微控制器。

• I/O驅(qū)動(dòng)能力： PCF8574T的I/O引腳驅(qū)動(dòng)能力有限。在驅(qū)動(dòng)較大電流負(fù)載時(shí)，需要通過外部晶體管或驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電流放大。例如，驅(qū)動(dòng)大功率LED或繼電器時(shí)，不能直接連接到PCF8574T的引腳，而應(yīng)通過一個(gè)NPN晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

• 輸入電平匹配： 當(dāng)PCF8574T的I/O引腳作為輸入時(shí)，需要確保外部信號(hào)的電平與PCF8574T的工作電壓兼容。如果外部信號(hào)電壓高于PCF8574T的VCC，可能需要電平轉(zhuǎn)換電路。

• 抗干擾： 在工業(yè)環(huán)境中，I2C總線和I/O引腳可能受到噪聲干擾。可以通過在SCL和SDA線上增加小電容（如100pF）進(jìn)行濾波，并合理布線以減少電磁干擾。

8. 編程接口與軟件實(shí)現(xiàn)

在微控制器上驅(qū)動(dòng)PCF8574T，主要是通過實(shí)現(xiàn)I2C通信協(xié)議來完成。大多數(shù)微控制器開發(fā)平臺(tái)都提供了硬件I2C模塊或軟件模擬I2C（Bit-Banging）庫。

8.1 常用編程語言的I2C庫

• Arduino： Arduino IDE提供了Wire.h庫，這是非常方便的I2C通信庫。

• Wire.begin()：初始化I2C總線。

• Wire.beginTransmission(address)：開始與指定地址的從設(shè)備通信。

• Wire.write(data)：發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

• Wire.endTransmission()：結(jié)束傳輸。

• Wire.requestFrom(address, numBytes)：從指定地址的從設(shè)備請求指定數(shù)量的字節(jié)。

• Wire.read()：讀取一個(gè)字節(jié)。

• STM32 (HAL庫/LL庫)： STM32微控制器提供了強(qiáng)大的硬件I2C模塊，通過HAL庫或LL庫可以方便地進(jìn)行配置和使用。

• HAL_I2C_Master_Transmit()：主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

• HAL_I2C_Master_Receive()：主設(shè)備接收數(shù)據(jù)。

• ESP32 (ESP-IDF)： ESP-IDF也提供了I2C驅(qū)動(dòng)API，可以靈活配置和使用。

• 樹莓派 (Python smbus)： 在樹莓派等Linux嵌入式系統(tǒng)上，可以使用Python的smbus庫來方便地進(jìn)行I2C通信。

8.2 軟件實(shí)現(xiàn)示例（以Arduino為例）

假設(shè)PCF8574T的地址為0x20。

1. 寫入數(shù)據(jù)（控制P0-P7輸出）

C++

#include <Wire.h>const int PCF8574_ADDRESS = 0x20; // 替換為你的PCF8574T實(shí)際地址void setup() {
  Wire.begin(); // 初始化I2C總線
  Serial.begin(9600); // 串口調(diào)試
  Serial.println("PCF8574T Write Test");  // 設(shè)置所有引腳為高電平（通過弱上拉），作為默認(rèn)輸入或關(guān)閉輸出
  // 此時(shí)，如果連接LED，寫入0會(huì)點(diǎn)亮，寫入1會(huì)熄滅（P引腳被弱上拉）
  Wire.beginTransmission(PCF8574_ADDRESS);
  Wire.write(0xFF); // 將所有P引腳設(shè)置為高電平
  Wire.endTransmission();
  delay(1000);  // 示例：點(diǎn)亮P0引腳連接的LED（假設(shè)LED是共陽極，低電平點(diǎn)亮）
  Serial.println("Turning on P0 (setting to low)...");
  Wire.beginTransmission(PCF8574_ADDRESS);
  Wire.write(0xFE); // 0b11111110, P0為低電平
  Wire.endTransmission();
  delay(1000);  // 示例：熄滅P0引腳連接的LED（設(shè)置回高電平）
  Serial.println("Turning off P0 (setting to high)...");
  Wire.beginTransmission(PCF8574_ADDRESS);
  Wire.write(0xFF); // 0b11111111, P0為高電平
  Wire.endTransmission();
  delay(1000);
}void loop() {  // 可以在這里添加更多寫操作，例如循環(huán)控制LED閃爍}

2. 讀取數(shù)據(jù)（讀取P0-P7輸入狀態(tài)）

#include <Wire.h>const int PCF8574_ADDRESS = 0x20; // 替換為你的PCF8574T實(shí)際地址const int PCF8574_INT_PIN = 2; 
// 將PCF8574T的INT引腳連接到Arduino的數(shù)字引腳2volatile bool pcf8574_interrupt_flag = false;
byte last_port_state = 0; // 存儲(chǔ)上次讀取的端口狀態(tài)void pcf8574_isr() {
  pcf8574_interrupt_flag = true;
}void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("PCF8574T Read Test with Interrupt");  // 將所有P引腳設(shè)置為高電平（用于輸入）
  Wire.beginTransmission(PCF8574_ADDRESS);
  Wire.write(0xFF); // 將所有P引腳設(shè)置為高電平（通過弱上拉）
  Wire.endTransmission();
  delay(100); // 稍等片刻確保設(shè)置生效

  // 配置中斷引腳
  pinMode(PCF8574_INT_PIN, INPUT_PULLUP); // 確保INT引腳有上拉（外部或內(nèi)部）
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PCF8574_INT_PIN), pcf8574_isr, FALLING); // 注冊下降沿中斷

  // 首次讀取，獲取初始狀態(tài)
  Wire.requestFrom(PCF8574_ADDRESS, 1);  if (Wire.available()) {
    last_port_state = Wire.read();
    Serial.print("Initial Port State: 0x");
    Serial.println(last_port_state, HEX);
  }
}void loop() {  if (pcf8574_interrupt_flag) {
    pcf8574_interrupt_flag = false; // 清除中斷標(biāo)志

    // 讀取PCF8574T的當(dāng)前端口狀態(tài)
    Wire.requestFrom(PCF8574_ADDRESS, 1);    if (Wire.available()) {
      byte current_port_state = Wire.read();
      Serial.print("Port State Changed! Current: 0x");
      Serial.print(current_port_state, HEX);
      Serial.print(" (Previous: 0x");
      Serial.print(last_port_state, HEX);
      Serial.println(")");      // 比較新舊狀態(tài)，找出哪些引腳發(fā)生了變化
      byte changed_bits = current_port_state ^ last_port_state;      for (int i = 0; i < 8; i++) {     
      if ((changed_bits >> i) & 0x01) {
          Serial.print("  P");
          Serial.print(i);
          Serial.print(" changed from ");
          Serial.print((last_port_state >> i) & 0x01);
          Serial.print(" to ");
          Serial.println((current_port_state >> i) & 0x01);
        }
      }
      last_port_state = current_port_state; // 更新上次狀態(tài)
    }
  }  // 其他主循環(huán)代碼
  delay(10);
}

代碼說明：

• Wire.h庫用于I2C通信。

• PCF8574_ADDRESS根據(jù)實(shí)際A0/A1/A2引腳的連接進(jìn)行修改。

• 在讀取數(shù)據(jù)的示例中，使用了中斷來檢測I/O引腳的變化，這是更高效的方式。

• pinMode(PCF8574_INT_PIN, INPUT_PULLUP)用于確保微控制器的INT引腳輸入有上拉。

• attachInterrupt()函數(shù)用于設(shè)置外部中斷。

• pcf8574_isr()是中斷服務(wù)程序，在其中設(shè)置標(biāo)志位。在主循環(huán)中檢測到標(biāo)志位后，再進(jìn)行I2C讀取操作，以避免在ISR中進(jìn)行耗時(shí)的I2C操作。

9. PCF8574T與其他I/O擴(kuò)展器的比較

市場上存在多種I/O擴(kuò)展器，每種都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。PCF8574T是其中一種，了解其與其他常見擴(kuò)展器的區(qū)別有助于選擇最適合特定應(yīng)用的芯片。

9.1 PCF8574T vs. PCF8574

PCF8574和PCF8574T在功能上幾乎完全相同，唯一的區(qū)別在于封裝形式和可能略微不同的默認(rèn)I2C地址范圍。PCF8574通常指DIP封裝，而PCF8574T通常指SOIC或TSSOP等表面貼裝封裝。在選擇時(shí)，主要取決于您的PCB設(shè)計(jì)和焊接需求。

9.2 PCF8574T vs. MCP23017

MCP23017是Microchip公司生產(chǎn)的一款16位I2C總線I/O擴(kuò)展器，是PCF8574T的有力競爭者，也是一個(gè)非常流行的選擇。

• I/O位數(shù)： MCP23017提供16個(gè)I/O引腳，而PCF8574T只有8個(gè)。如果需要更多的I/O，MCP23017更具優(yōu)勢。

• I/O配置： MCP23017的每個(gè)I/O引腳都可以通過軟件單獨(dú)配置為輸入或輸出，并支持內(nèi)部上拉電阻的使能/禁用。這提供了比PCF8574T的準(zhǔn)雙向端口更大的靈活性。

• 中斷： MCP23017有兩個(gè)可配置的中斷引腳（INTA和INTB），可以分別配置為端口A和端口B的中斷，或者合并。它還提供了中斷極性、中斷源寄存器等更豐富的中斷功能。

• 驅(qū)動(dòng)能力： MCP23017通常具有更好的輸出驅(qū)動(dòng)能力。

• 寄存器： MCP23017有更多的內(nèi)部寄存器來控制I/O方向、上拉電阻、極性等，這使得其功能更強(qiáng)大，但編程復(fù)雜度也略高。PCF8574T只有一個(gè)端口寄存器，編程更簡單。

• 價(jià)格與尺寸： 通常情況下，PCF8574T由于功能更簡單，成本可能更低，封裝也可能更小。

總結(jié)：

• 選擇PCF8574T： 如果只需要擴(kuò)展8個(gè)或更少的I/O，且主要用于按鍵輸入（其準(zhǔn)雙向特性非常適合）或簡單的LED驅(qū)動(dòng)，并且追求成本和編程的極致簡潔性，那么PCF8574T是一個(gè)很好的選擇。

• 選擇MCP23017： 如果需要擴(kuò)展16個(gè)或更多I/O，需要更靈活的I/O配置（輸入/輸出獨(dú)立設(shè)置，可配置上拉），或需要更復(fù)雜的中斷管理，或者需要更高的驅(qū)動(dòng)能力，那么MCP23017是更好的選擇。

9.3 PCF8574T vs. SPI接口I/O擴(kuò)展器（如74HC595）

74HC595是一個(gè)8位串行輸入、并行輸出的移位寄存器，常用于驅(qū)動(dòng)LED顯示。它使用SPI（或者類似SPI的三線）接口。

• 接口協(xié)議： PCF8574T使用I2C協(xié)議（兩線），74HC595使用SPI或類似協(xié)議（三線或更多線）。I2C總線更節(jié)省引腳，但速度通常低于SPI。

• 方向： PCF8574T提供準(zhǔn)雙向I/O，既可輸入也可輸出。74HC595主要是并行輸出，無法直接作為輸入。如果需要輸入功能，需要配合其他芯片。

• 應(yīng)用： PCF8574T更通用，適用于各種I/O擴(kuò)展。74HC595常用于LED驅(qū)動(dòng)、數(shù)碼管顯示等需要大量輸出的應(yīng)用。

• 成本： 74HC595通常比PCF8574T更便宜，但它不能作為輸入，且需要更多MCU引腳來控制。

總結(jié)： 選擇哪種芯片取決于具體應(yīng)用的需求。PCF8574T在需要少量雙向I/O擴(kuò)展且對(duì)引腳節(jié)省有要求時(shí)表現(xiàn)出色。

10. 故障排除與常見問題

在使用PCF8574T時(shí)，可能會(huì)遇到一些問題。以下是一些常見的故障及排除方法：

• I2C通信失敗：

• 檢查SCL和SDA上拉電阻： 確保SCL和SDA線上有合適的上拉電阻到VCC。沒有上拉電阻，I2C總線將無法正常工作。

• 檢查I2C地址： 確認(rèn)微控制器代碼中使用的PCF8574T地址與芯片A0、A1、A2引腳的實(shí)際連接設(shè)置一致。請記住I2C地址是7位的，但在通信時(shí)需要加上讀/寫位。

• 檢查電源連接： 確保VCC和GND連接正確，且電源電壓在PCF8574T的工作范圍內(nèi)。

• 檢查SCL/SDA連接： 確保SCL和SDA引腳沒有短路，也沒有開路。

• I2C總線沖突： 檢查I2C總線上是否有其他設(shè)備使用了相同的地址，或者有設(shè)備導(dǎo)致總線沖突。

• I2C總線波形： 使用示波器檢查SCL和SDA線的波形，看是否有正確的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)。

• 主設(shè)備I2C初始化： 確保微控制器I2C模塊已正確初始化。

• I/O引腳無法正常工作（輸出或輸入不正確）：

• 準(zhǔn)雙向特性理解： 再次確認(rèn)是否理解了PCF8574T的準(zhǔn)雙向I/O特性。要作為輸入，需要先向引腳寫入“1”。當(dāng)輸出“1”時(shí)，引腳是弱上拉的，可能無法驅(qū)動(dòng)重負(fù)載或在外部有強(qiáng)下拉時(shí)被拉低。

• 電流驅(qū)動(dòng)能力： 檢查負(fù)載電流是否超過了PCF8574T引腳的最大驅(qū)動(dòng)能力。如果是，需要增加外部驅(qū)動(dòng)電路（如晶體管）。

• 外部信號(hào)電平： 作為輸入時(shí)，確認(rèn)外部信號(hào)的電壓電平與PCF8574T的工作電壓兼容。

• I/O引腳狀態(tài)： 在向PCF8574T寫入數(shù)據(jù)后，嘗試讀取其端口數(shù)據(jù)，確認(rèn)寫入操作是否成功，以及引腳狀態(tài)是否如預(yù)期。

• 中斷引腳（INT）不工作：

• INT上拉電阻： 確保INT引腳有外部上拉電阻到VCC。INT是開漏輸出，沒有上拉電阻將無法正常拉高。

• 微控制器中斷配置： 確認(rèn)微控制器引腳是否配置為外部中斷輸入，中斷類型（下降沿觸發(fā)）是否正確。

• 中斷清除： 記得在中斷服務(wù)程序中讀取PCF8574T的端口數(shù)據(jù)以清除中斷標(biāo)志。如果沒有讀取操作，INT引腳可能會(huì)一直保持低電平。

• I/O狀態(tài)變化： 確保外部輸入真的導(dǎo)致了P0-P7引腳狀態(tài)的變化，才會(huì)觸發(fā)中斷。

• 焊接問題： 檢查所有引腳的焊接是否牢固，是否有虛焊或短路。

• 芯片損壞： 如果以上檢查都沒有發(fā)現(xiàn)問題，可能是PCF8574T芯片本身損壞?？梢試L試更換芯片進(jìn)行測試。

11. 總結(jié)與展望

PCF8574T作為一款經(jīng)典的8位I2C總線I/O擴(kuò)展器，以其簡單易用、節(jié)省I/O引腳、成本效益高、以及獨(dú)特的準(zhǔn)雙向I/O特性，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占據(jù)了一席之地。它有效地解決了微控制器I/O資源有限的問題，使得設(shè)計(jì)者能夠以更簡潔高效的方式擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

盡管市場上出現(xiàn)了功能更強(qiáng)大、更靈活的I/O擴(kuò)展器（如MCP23017），PCF8574T仍然因其低成本、易于理解的準(zhǔn)雙向特性以及廣泛的資料和社區(qū)支持而受到許多工程師的青睞。特別是在對(duì)I/O數(shù)量需求不高、以按鍵輸入和LED驅(qū)動(dòng)為主的場合，PCF8574T仍然是一個(gè)非常實(shí)用的選擇。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和智能硬件的快速發(fā)展，對(duì)傳感器、執(zhí)行器以及人機(jī)交互界面的需求不斷增長，I/O擴(kuò)展器的重要性也日益凸顯。PCF8574T及其衍生型號(hào)將繼續(xù)在各種應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為工程師提供高效、可靠的I/O擴(kuò)展解決方案。深入理解其工作原理和應(yīng)用技巧，無疑能幫助您更好地進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。