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 寫數據
      • TCA6416A 讀數據
      • 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

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???????摘自《Launchpad口袋實驗平臺（指導書）》、《AY-G2PL KIT_用戶手冊》

硬知識

???????對于低速的 IO，可以通過串行轉并行的方法擴展。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據轉為并行數據輸出，串入并出移位寄存器加一個鎖存器就可以將串行轉并行輸出（也就是擴展了 IO 口），比如 74 系列通用數字邏輯器件74HC595，可以任意級聯擴展輸出口。
???????串行轉并行的代價就是速度會變慢，理論上，1 串轉 16 并輸出，速度至少要降 16 倍。假如普通 IO 翻轉電平的速度是 1MHz，轉 16 并輸出后，速度將降為 62.5kHz。這個速度對于很多應用已綽綽有余，比如和人有關的輸入輸出設備（鍵盤、段式 LCD/LED 驅動、點陣LCD/LED 驅動等）。
???????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。

TCA6416A 可以擴展出 16 個雙向 IO 口，為了與單片機原生的 IO 區別，圖中TCA6416A 擴展出的 IO 標注為 IO00-IO07，IO10-IO17。

ADDR 引腳是 I2C 設備的地址引腳，通過接地或 VCC 可設置為兩個不同的地址，換句話說，1 組 I2C 總線上可掛兩片 TCA6416A（ADDR 引腳分別接地和接 VCC）。

/INT 引腳是專門為擴展輸入引腳設計的，相當于單片機的外部中斷。當擴展 IO 設為輸入模式，且輸入電平變化時，/INT 引腳便會觸發下降沿中斷，單片機的 IO 再去檢測/INT 的下降沿，觸發真正的單片機中斷。單片機通過 I2C 協議查看 TCA6416A 的相關寄存器，便知曉是哪個 IO 被按下。

/RESET 引腳地位相當于單片機的復位引腳，為了節約單片機為數不多的 IO口，這里仿照單片機的上電復位電路用 R2 和 C6 給 TCA6416 也設計了上電復位電路。

SDA、SCL 和/INT 引腳必須外接上拉電阻（R31/32/33）。

電源 VCC 和地 GND 之間接電容 C5（100nF，標柱為 104）進行去耦，起到“有病治病無病強身”的作用。

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。

需要 16 位的 Input Port Registers 來存儲 16 個 IO 的輸入狀態，相當于單片機中的PxIN。

需要 16 位的 Output Port Registers 來存儲 16 個 IO 的輸入狀態，相當于單片機中的PxOUT。

需要 16 位的 Configuration Registers 來存儲 IO 的輸入輸出方向，相當于單片機中的PxDIR。

需要 16 位的 Polarity Inversion Registers 來存儲是否對 IO1/0 取反操作，這個功能在單片機中沒有。

???????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，再做異或邏輯的辦法實現取反。但是在 TCA6416A 中，就必須先用 I2C 協議讀 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 電平翻轉電路，相當于“復雜指令集”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 寫數據

???????對 TCA6416A 來說，可能要寫 3 種數據，IO 輸出電平寄存器，IO 方向寄存器，IO 電平極性翻轉寄存器，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 的本質還是寫寄存器。一次完整的寫寄存器分 4 部分：

從機地址：從機地址的前 6 位固定為 010000，為什么不定成 000000 呢？這是因為如果每種類型的 I2C 從機設備都從 000000 起始的話，那地址就區分不開了，所以每種 I2C 設備都會跳開一段地址賦值。第 7 位是真正的地址，只有兩種可能。第 8 位用于表示讀操作還是寫操作。

命令字：這 8 位實際就是選擇寫哪個寄存器。高 5 位固定，用低 3 位表示 8 種寄存器。

寄存器 0：先寫寄存器 0，高位在前，低位在后。

寄存器 1：后寫寄存器 1。

TCA6416A 讀數據

???????單片機在真正讀 TCA6416A 數據前，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據。寫命令需要 2 字節，從機地址+命令。讀數據需要 3 個字節，從機地址+低位數據+高位數據。

TCA6416A 的 IO 輸入寄存器

???????如圖 12.11 所示為讀 IO 輸入寄存器的“讀數據”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象都描述清楚，圖 12.11 做的非常復雜。
???????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 電平時刻對應的數據 Data1 和數據 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/INT 產生下降沿變成低電平，但是/INT 要等 I2C 的應答位才能恢復高電平（重新具備中斷能力）。也就是說，TCA6416A 的/INT 中斷無法響應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：基礎知識和工程創建
???????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 //讀取管腳輸入狀態寄存器；只讀 #define In_CMD1 0x01 #define Out_CMD0 0x02 //控制管腳輸出狀態寄存器；R/W #define Out_CMD1 0x03 #define PIVS_CMD0 0x04 //反向控制管腳輸出狀態寄存器；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管腳的狀態信息，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管腳的狀態信息，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的復位時間比單片機長，延遲確保可靠復位//----根據擴展板的引腳使用，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{if(status == 0)pinW0 &= ~(1<<pin);elsepinW0 |= 1<<pin; i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &pinW0, 1); // 將更新后的數據包，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{if(status == 0)pinW1 &= ~(1<<(pin%10));elsepinW1 |= 1<<(pin%10);i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &pinW1, 1); // 將更新后的數據包，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{status = !(pinW0 & (1<<pin));if(status)pinW0 |= 1<<pin;elsepinW0 &= ~(1<<pin);i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &pinW0, 1); // 將更新后的數據包，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{status = !(pinW1 & (1<<(pin%10)));if(status)pinW1 |= 1<<(pin%10);elsepinW1 &= ~(1<<(pin%10));i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &pinW1, 1); // 將更新后的數據包，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。

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);} }

實驗現象

總結

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 扩展的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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