硬知识
- IO 扩展芯片 TCA6416A
- - TAC6416A 的寄存器
  - - IO 输入寄存器
    - IO 输出寄存器
    - IO 反相寄存器
    - IO 方向寄存器
  - TCA6416A 的操作
  - - TCA6416A 写数据
    - TCA6416A 读数据
    - TCA6416A 的 IO 输入寄存器
- 硬件布局
示例程序
- TCA6416A.c
- TCA6416A.h
测试程序
- main.c
- 实验现象

普中51-单核-A2
STC89C52
MSP430G2553 Launchpad 扩展板
Keil uVision V5.29.0.0
PK51 Prof.Developers Kit Version:9.60.0.0
上位机：Vofa+ 1.3.10

摘自《Launchpad口袋实验平台（指导书）》、《AY-G2PL KIT_用户手册》

硬知识

对于低速的 IO，可以通过串行转并行的方法扩展。1 片 I2C 接口控制的 IO 扩展芯片 TCA6416A可为单片机额外扩展出 16 个双向 IO。
       扩展输出口的方法其实就是将串行数据转为并行数据输出，串入并出移位寄存器加一个锁存器就可以将串行转并行输出（也就是扩展了 IO 口），比如 74 系列通用数字逻辑器件74HC595，可以任意级联扩展输出口。
       串行转并行的代价就是速度会变慢，理论上，1 串转 16 并输出，速度至少要降 16 倍。假如普通 IO 翻转电平的速度是 1MHz，转 16 并输出后，速度将降为 62.5kHz。这个速度对于很多应用已绰绰有余，比如和人有关的输入输出设备（键盘、段式 LCD/LED 驱动、点阵LCD/LED 驱动等）。
       扩展输入口的方法类似，只不过使用的是并入串出的移位寄存器。

IO 扩展芯片 TCA6416A

类似 74HC595 的串并转换芯片虽然廉价，但是它只能扩展输出口，不能同时扩展出双向IO 口。而TCA6416A则是基于 I2C 控制的双向 IO 扩展芯片。

TCA6416A 可以扩展出 16 个双向 IO 口，为了与单片机原生的 IO 区别，图中TCA6416A 扩展出的 IO 标注为 IO00-IO07，IO10-IO17。
ADDR 引脚是 I2C 设备的地址引脚，通过接地或 VCC 可设置为两个不同的地址，换句话说，1 组 I2C 总线上可挂两片 TCA6416A（ADDR 引脚分别接地和接 VCC）。
/INT 引脚是专门为扩展输入引脚设计的，相当于单片机的外部中断。当扩展 IO 设为输入模式，且输入电平变化时，/INT 引脚便会触发下降沿中断，单片机的 IO 再去检测/INT 的下降沿，触发真正的单片机中断。单片机通过 I2C 协议查看 TCA6416A 的相关寄存器，便知晓是哪个 IO 被按下。
/RESET 引脚地位相当于单片机的复位引脚，为了节约单片机为数不多的 IO口，这里仿照单片机的上电复位电路用 R2 和 C6 给 TCA6416 也设计了上电复位电路。
SDA、SCL 和/INT 引脚必须外接上拉电阻（R31/32/33）。
电源 VCC 和地 GND 之间接电容 C5（100nF，标柱为 104）进行去耦，起到“有病治病无病强身”的作用。

TAC6416A 的寄存器

首先我们把 TCA6416A 扩展出的 16 个普通 IO 口，理解为成单片机的 P0 和 P1 口，CPU对 IO 口的读写实际上都是通过寄存器这个中介进行的。其次，参考图 12.3 的移位寄存器原理，扩展出的 IO 也是无法位操作的，读写都必须多位同时进行。TAC6416A 的寄存器设计其实很好理解，共 4 组寄存器，我们不妨先分析一下需要哪 4 组。

需要 16 位的 Input Port Registers 来存储 16 个 IO 的输入状态，相当于单片机中的PxIN。
需要 16 位的 Output Port Registers 来存储 16 个 IO 的输入状态，相当于单片机中的PxOUT。
需要 16 位的 Configuration Registers 来存储 IO 的输入输出方向，相当于单片机中的PxDIR。
需要 16 位的 Polarity Inversion Registers 来存储是否对 IO1/0 取反操作，这个功能在单片机中没有。

CPU 对于 IO 口的操作有置 1，置 0 和取反三种，单片机可以通过先读出 IO 状态，再做异或逻辑的办法实现取反。但是在 TCA6416A 中，就必须先用 I2C 协议读 Input Port Registers ，CPU 运算后，再用 I2C 写 Output Port Registers ，这个时间非常长。所以TCA6416A 直接就集成了硬件 IO 电平翻转电路，相当于“复杂指令集”了一回。
实际的 TCA6416A 寄存器，使用 TCA6416A 的过程就是配置这几个寄存器。

IO 输入寄存器

IO 输出寄存器

IO 反相寄存器

IO 方向寄存器

TCA6416A 的操作

TCA6416A 写数据

对 TCA6416A 来说，可能要写 3 种数据，IO 输出电平寄存器，IO 方向寄存器，IO 电平极性翻转寄存器，3 个寄存器都影响实际的 IO 输出，所以这 3 者的地位是完全平等的，写的方法也一样。
如图 12.9 所示为 TCA6416A 的写寄存器操作时序图。原说明书中将写 IO 与写寄存器分开画图，其实这完全没有必要，写 IO 的本质还是写寄存器。一次完整的写寄存器分 4 部分：

从机地址：从机地址的前 6 位固定为 010000，为什么不定成 000000 呢？这是因为如果每种类型的 I2C 从机设备都从 000000 起始的话，那地址就区分不开了，所以每种 I2C 设备都会跳开一段地址赋值。第 7 位是真正的地址，只有两种可能。第 8 位用于表示读操作还是写操作。
命令字：这 8 位实际就是选择写哪个寄存器。高 5 位固定，用低 3 位表示 8 种寄存器。
寄存器 0：先写寄存器 0，高位在前，低位在后。
寄存器 1：后写寄存器 1。

TCA6416A 读数据

单片机在真正读 TCA6416A 数据前，需要写命令告诉 TCA6416A 是操作哪个寄存器。然后才是真正的读数据。写命令需要 2 字节，从机地址+命令。读数据需要 3 个字节，从机地址+低位数据+高位数据。

TCA6416A 的 IO 输入寄存器

如图 12.11 所示为读 IO 输入寄存器的“读数据”操作时序图部分（即为图 12.10 的后半部分，不包括写命令部分）。为了把个各种异常情况下的现象都描述清楚，图 12.11 做的非常复杂。
只需注意，图中 IO 电平共变化了 5 次，而实际被单片机读到的却是两次锁存 IO 电平时刻对应的数据 Data1 和数据 Data4。

为了模拟普通 IO 的输入中断，TAC6416A 启用了一个类似的/INT 中断来提示输入 IO 有变化。但是由于 IO 输入的变化速度可能远高于读 IO 输入寄存器的速度，所以，TAC6416A的中断和单片机的 IO 外部中断还不太一样。输入 IO 的变化可以触发/INT 产生下降沿变成低电平，但是/INT 要等 I2C 的应答位才能恢复高电平（重新具备中断能力）。也就是说，TCA6416A 的/INT 中断无法响应快速变化的输入信号，当然我们也可以不用中断的方法判断IO 输入，定时扫描的方法同样适用于 TCA6416A。

硬件布局

如图所示，扩展出 16 个 IO 口中，8 个作为输出口用于控制 8 个 LED，4 个作为输
出口用于控制 LCD 驱动器（这个另行介绍），4 个作为输入口用于识别 4 个机械按键。

下图所示为 8 个 LED 以及 4 个机械按键在扩展板中的位置

示例程序

stdint.h见【51单片机快速入门指南】1：基础知识和工程创建
软件I2C程序见【51单片机快速入门指南】4：软件 I2C

TCA6416A.c

/** TCA6416A.c**  Created on: 2013-4-6*      Author: Administrator*/
#include "./Software_I2C/Software_I2C.h"#define       TCA6416A_ADDR   0x20    /*从机TCA6416A的7位地址*///-----控制寄存器定义-----
#define     In_CMD0         0x00    //读取管脚输入状态寄存器；只读
#define     In_CMD1         0x01
#define     Out_CMD0        0x02    //控制管脚输出状态寄存器；R/W
#define     Out_CMD1        0x03
#define     PIVS_CMD0       0x04    //反向控制管脚输出状态寄存器；R/W
#define     PIVS_CMD1       0x05
#define     CFG_CMD0        0x06    //管脚方向控制：1：In；0:：Out。
#define     CFG_CMD1        0x07volatile unsigned int TCA6416A_InputBuffer=0;
unsigned char pinW0 = 0xff;                        //用于缓存已写入相应管脚的状态信息，此操作避免读回TCA6416A中当前寄存器的值
unsigned char pinW1 = 0xff;                        //用于缓存已写入相应管脚的状态信息，此操作避免读回TCA6416A中当前寄存器的值void Delay_ms(int i);/******************************************************************************************************* 名       称：TCA6416A_Init()******************************************************************************************************/
void TCA6416A_Init(void)
{unsigned char conf;Delay_ms(5);                        //TCA6416的复位时间比单片机长，延迟确保可靠复位//----根据扩展板的引脚使用，将按键所在管脚初始化为输入，其余管脚初始化为输出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 (按键)i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, CFG_CMD1, &conf, 1);   //----上电先将管脚输出为高（此操作对输入管脚无效）conf = 0xff;                     // 某位置1，输出为高，0为低i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &conf, 1);conf = 0xff;                        i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &conf, 1);
}/******************************************************************************************************* 名       称：PinOUT()******************************************************************************************************/
void PinOUT(unsigned char pin,unsigned char status)
{if(pin<=7)                                             //所选管脚为pin0~pin7 ，刷新所要操作的输出缓存pinW0 状态{if(status == 0)pinW0 &= ~(1<<pin);elsepinW0 |= 1<<pin;         i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &pinW0, 1);  // 将更新后的数据包，写入芯片寄存器}else if(pin>=10 && pin<=17)                              //所选管脚为pin10~pin17 ，刷新所要操作的输出缓存pinW1 状态{if(status == 0)pinW1 &= ~(1<<(pin%10));elsepinW1 |= 1<<(pin%10);i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &pinW1, 1);   // 将更新后的数据包，写入芯片寄存器}
}/******************************************************************************************************* 名       称：PinIN()******************************************************************************************************/
unsigned char PinIN(unsigned char pin)
{unsigned char temp[2];i2c_mem_read(TCA6416A_ADDR, In_CMD0, temp, 2);                   // 读取按键所在管脚信息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       称：PinToggle()******************************************************************************************************/
void PinToggle(unsigned char pin)
{unsigned char status;if(pin<=7)                                                //所选管脚为pin0~pin7 ，刷新所要操作的输出缓存pinW0 状态{status = !(pinW0 & (1<<pin));if(status)pinW0 |= 1<<pin;elsepinW0 &= ~(1<<pin);i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &pinW0, 1);  // 将更新后的数据包，写入芯片寄存器}else if(pin>=10 && pin<=17)                              //所选管脚为pin10~pin17 ，刷新所要操作的输出缓存pinW1 状态{status = !(pinW1 & (1<<(pin%10)));if(status)pinW1 |= 1<<(pin%10);elsepinW1 &= ~(1<<(pin%10));i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &pinW1, 1); // 将更新后的数据包，写入芯片寄存器}
}

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_ */

测试程序

一个LED闪烁，另一个LED由KEY控制翻转。

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);}
}

实验现象

【51单片机快速入门指南】4.5：I2C 与 TCA6416实现双向 IO 扩展相关推荐

【51单片机快速入门指南】4.6：I2C 与 PCF8563实时时钟日历芯片
目录硬知识概述特性功能描述报警功能模式定时器模式 CLKOUT输出复位低电压检测器和时钟监视器低电压检测器和时钟监视器寄存器结构寄存器概述 BCD编码格式寄存器概述 Control ...
【51单片机快速入门指南】4.4：I2C 读取HMC5883L / QMC5883L 磁力计
目录硬知识简介操作模式 HMC5883L 连续测量模式单次测量模式闲置模式 QMC5883L 连续测量模式待命模式主要差异寄存器寄存器列表 HMC5883L QMC5883L 配置寄 ...
【51单片机快速入门指南】4.3： I2C读取MPU6050陀螺仪的原始数据
目录硬知识特性参数 MPU6050 简介模块重要寄存器简介电源管理寄存器 1 陀螺仪配置寄存器加速度传感器配置寄存器 FIFO 使能寄存器陀螺仪采样率分频寄存器配置寄存器电源管理寄存器 ...
【51单片机快速入门指南】4.1： I2C 与 AT24C02 (EEPROM) 的跨页连续读写
目录硬知识 AT24Cxx 介绍引脚排列引脚说明存储结构器件寻址器件操作待机模式存储复位写操作字节写页写应答查询读操作当前地址读随机读顺序读示例程序 24C02.c ...
【51单片机快速入门指南】4.2： SSD1306 OLED屏（0.96寸、1.3寸）的I2C控制详解
目录硬知识 SSD1306简介 I2C 接口从机地址位(SA0) I2C 总线写数据命令解码器晶振电路和显示时间发生器复位图形显示数据RAM (GDDRAM) 命令表基本命令表部分指令 ...
【51单片机快速入门指南】4.4.3：Madgwick AHRS 九轴姿态融合获取四元数、欧拉角
目录传感器的方向源码 Madgwick_9.c Madgwick_9.h 使用方法测试 main.c 效果 STC15F2K60S2 22.1184MHz Keil uVision V5.29. ...
【51单片机快速入门指南】4.4.2：Mahony AHRS 九轴姿态融合获取四元数、欧拉角
目录传感器的方向源码 Mahony_9.c Mahony_9.h 使用方法测试 main.c 效果 STC15F2K60S2 22.1184MHz Keil uVision V5.29.0.0 ...
【51单片机快速入门指南】4.4.1：python串口接收磁力计数据并进行最小二乘法椭球拟合
目录硬知识 Python代码使用方法串口收集数据椭球拟合验证 STC15F2K60S2 16.384MHz Keil uVision V5.29.0.0 PK51 Prof.Develope ...
【51单片机快速入门指南】4.3.4： MPU6050使用Madgwick AHRS算法实现六轴姿态融合获取四元数、欧拉角
目录源码 Madgwick_6.c Madgwick_6.h 使用方法测试程序 main.c 效果 STC89C516 32MHz Keil uVision V5.29.0.0 PK51 Prof ...

【51单片机快速入门指南】4.5：I2C 与 TCA6416实现双向 IO 扩展

目录

硬知识