簡(jiǎn)介面向嵌入式開(kāi)發(fā)者與高校學(xué)生的 STM32F103 軟件模擬 IIC 訪問(wèn) PCA9555 實(shí)例工程重點(diǎn)解決在不依賴(lài)硬件 I2C 外設(shè)時(shí)擴(kuò)展 16 位 IO 端口的通信問(wèn)題。工程圍繞 SCL/SDA 的 GPIO 時(shí)序模擬、起始與停止條件、7 位從機(jī)地址及讀寫(xiě)位、PCA9555 輸入/輸出與中斷相關(guān)寄存器的讀寫(xiě)展開(kāi)適合作為 IIC 協(xié)議入門(mén)、IO 擴(kuò)展和嵌入式外設(shè)調(diào)試的參考。壓縮包共 127 個(gè)文件約 2MB以 33 個(gè) h 頭文件、32 個(gè) c 源文件為核心配合 Keil 工程配置、編譯中間文件及 hex/axf 燒錄產(chǎn)物便于直接打開(kāi)、編譯與對(duì)照學(xué)習(xí)。已有 4838 人學(xué)習(xí)讀者可從中獲得完整可運(yùn)行的工程骨架、軟件模擬 IIC 的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)思路、PCA9555 寄存器操作范例以及編譯燒錄與排錯(cuò)參考。1. 從兩根線到十六個(gè) IOSTM32F103 模擬 IIC 驅(qū)動(dòng) PCA9555 的真實(shí)價(jià)值手里拿著一塊 STM32F103 最小系統(tǒng)板需要外擴(kuò) 16 個(gè)按鍵或繼電器GPIO 已經(jīng)快用完了但硬件 IIC 的引腳又剛好被其他外設(shè)占用——這種場(chǎng)景我遇到過(guò)不止一次。PCA9555 就是為這類(lèi)情況準(zhǔn)備的它是 16 位 IIC 轉(zhuǎn)并行 IO 擴(kuò)展芯片通過(guò)兩根線就能管住 16 個(gè) IO還能配置成輸入或輸出支持中斷上報(bào)。項(xiàng)目標(biāo)題里那句「親測(cè)有效」并不夸張模擬 IIC軟件 IIC在 STM32 上比硬件 IIC 更可控時(shí)序能按 PCA9555 的數(shù)據(jù)手冊(cè)調(diào)整出問(wèn)題能逐位抓取波形不像硬件外設(shè)那樣只能對(duì)著寄存器配置發(fā)愁。這篇筆記面向已經(jīng)能點(diǎn)亮 LED、但還沒(méi)把 IO 擴(kuò)展芯片跑通的嵌入式開(kāi)發(fā)者尤其是使用 STM32F103 這類(lèi)經(jīng)典型號(hào)的讀者。我會(huì)把模擬 IIC 的時(shí)序怎么實(shí)現(xiàn)、PCA9555 的寄存器怎么讀寫(xiě)、上電初始化順序、讀寫(xiě)單個(gè)位和整個(gè)端口的方法講清楚再落到實(shí)際能編譯運(yùn)行的代碼。硬件 IIC 的玄學(xué)問(wèn)題不少模擬 IIC 至少能讓每條時(shí)序線都看得見(jiàn)。2. 模擬 IIC 與 PCA9555 的匹配邏輯為什么不用硬件外設(shè)2.1 先算清楚引腳賬為什么模擬方案更合適STM32F103 的硬件 IIC 一般掛在 PB6/PB7I2C1或 PB10/PB11I2C2上。如果你在同一個(gè)項(xiàng)目里已經(jīng)用到了這些引腳再想加 PCA9555就得考慮重映射或者切到軟件模擬。模擬 IIC 的本質(zhì)是用兩個(gè)普通 GPIO 分別充當(dāng) SCL 和 SDA靠代碼控制高低電平來(lái)生成 START、STOP、ACK 這些時(shí)序單元。它不占用硬件 IIC 外設(shè)引腳可以隨便挑比如 PB8/PB9、PA5/PA6 都能用。我通常選開(kāi)漏輸出模式并外接 4.7kΩ 上拉電阻。原因很直接IIC 總線是開(kāi)漏結(jié)構(gòu)多個(gè)設(shè)備共享時(shí)誰(shuí)拉低誰(shuí)就占線如果配成推挽一旦從機(jī)也在拉低就變成兩個(gè)推挽輸出對(duì)頂容易燒引腳。這一點(diǎn)和硬件 IIC 配置一致不能省。選 PCA9555 而不是 74HC595 的理由也值得說(shuō)清。74HC595 只能輸出無(wú)法讀取輸入狀態(tài)做按鍵掃描就不行PCA9555 的 16 個(gè) IO 可以按端口配置方向端口 0 和端口 1 各自獨(dú)立配置輸入輸出混用很方便。它還有中斷輸出引腳任一輸入引腳狀態(tài)變化都能觸發(fā)不用 MCU 輪詢(xún)。代價(jià)是 IIC 協(xié)議本身比 SPI 慢不過(guò) IO 擴(kuò)展這種場(chǎng)景對(duì)速度不敏感幾十 kHz 就夠用。2.2 PCA9555 的寄存器地圖四個(gè)命令字節(jié)就夠了PCA9555 內(nèi)部只有四個(gè)可尋址的寄存器每個(gè)寄存器 8 位對(duì)應(yīng)一個(gè)端口的 8 個(gè)引腳命令字節(jié)寄存器讀寫(xiě)作用0x00輸入端口 0讀讀 P0 口 8 個(gè)引腳的實(shí)時(shí)電平0x01輸入端口 1讀讀 P1 口 8 個(gè)引腳的實(shí)時(shí)電平0x02輸出端口 0讀寫(xiě)設(shè)置 P0 口輸出鎖存值0x03輸出端口 1讀寫(xiě)設(shè)置 P1 口輸出鎖存值0x04極性反轉(zhuǎn) 0讀寫(xiě)翻轉(zhuǎn) P0 口輸入極性0x05極性反轉(zhuǎn) 1讀寫(xiě)翻轉(zhuǎn) P1 口輸入極性0x06配置端口 0讀寫(xiě)P0 方向1 為輸入0 為輸出0x07配置端口 1讀寫(xiě)P1 方向1 為輸入0 為輸出這八個(gè)命令字節(jié)是理解 PCA9555 的順序。配置寄存器的位定義為 1 表示輸入為 0 表示輸出上電默認(rèn)全部是輸入因此如果不先寫(xiě)配置寄存器就直接寫(xiě)輸出寄存器引腳仍會(huì)保持高阻燈不會(huì)亮。極性反轉(zhuǎn)寄存器一般保持 0x00除非你希望把按鍵的低有效直接讀成高有效可以用它省掉軟件取反。這里有個(gè)容易忽略的點(diǎn)命令字節(jié)在寫(xiě)操作后會(huì)自動(dòng)遞增也就是你寫(xiě) 0x02輸出端口 0之后再連續(xù)寫(xiě)一個(gè)字節(jié)它會(huì)自動(dòng)落到 0x03輸出端口 1。所以初始化時(shí)可以用一次兩字節(jié)寫(xiě)把兩個(gè)端口的值一起設(shè)好效率比兩次單字節(jié)寫(xiě)高。2.3 從機(jī)地址怎么定7 位地址左移一位PCA9555 的 7 位從機(jī)地址由 A0、A1、A2 三個(gè)引腳決定公式是0100 A2 A1 A0。三個(gè)引腳都接地時(shí)7 位地址是 0x20寫(xiě)操作字節(jié)是 0x40讀操作字節(jié)是 0x41。A0 接高電平時(shí)地址變成 0x21寫(xiě)字節(jié) 0x42以此類(lèi)推。這個(gè)換算是新手最容易翻車(chē)的地方數(shù)據(jù)手冊(cè)里給的是 7 位地址而代碼里需要在末尾補(bǔ)一位讀寫(xiě)位直接拿 0x20 當(dāng)寫(xiě)地址發(fā)出去從機(jī)不會(huì)應(yīng)答。我一般會(huì)在頭文件里把地址定義成一個(gè)宏再用移位生成讀寫(xiě)字/* PCA9555 7 位從機(jī)地址: A2 A1 A0 全接地 0x20 */ #define PCA9555_ADDR 0x20 /* 寫(xiě)字節(jié) 7 位地址左移 1 位, 最低位 0 */ #define PCA9555_WRITE_ADDR (PCA9555_ADDR 1) /* 讀字節(jié) 7 位地址左移 1 位, 最低位 1 */ #define PCA9555_READ_ADDR ((PCA9555_ADDR 1) | 0x01)這段宏看起來(lái)簡(jiǎn)單但把PCA9555_ADDR 1寫(xiě)成PCA9555_ADDR是在我排查過(guò)的故障里出現(xiàn)頻率最高的。另一個(gè)細(xì)節(jié)是讀操作采用兩段式先寫(xiě)一次地址字節(jié)帶寫(xiě)標(biāo)志再發(fā)一次重復(fù)起始條件帶讀標(biāo)志然后連續(xù)讀兩個(gè)字節(jié)并且只在最后一個(gè)字節(jié)回 NACK。如果兩個(gè)字節(jié)都回 ACK從機(jī)會(huì)繼續(xù)保持 SDA 輸出下一輪通信容易出錯(cuò)。3. 五步搭起模擬 IIC 驅(qū)動(dòng)層從引腳定義到字節(jié)收發(fā)3.1 GPIO 初始化和時(shí)序宏把微秒級(jí)延時(shí)落到實(shí)處模擬 IIC 的第一層是引腳電平操作和延時(shí)。F103 主頻 72MHz 時(shí)一個(gè)簡(jiǎn)單 for 循環(huán)空轉(zhuǎn)的耗時(shí)很難精確估算而且編譯器優(yōu)化等級(jí)一變循環(huán)就被優(yōu)化掉。我傾向用 SysTick 做微秒延時(shí)或者至少把延時(shí)函數(shù)放到單獨(dú)文件里并加__attribute__((noinline))防止內(nèi)聯(lián)。PCA9555 數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì) SCL 高電平和低電平的最小時(shí)間有要求標(biāo)準(zhǔn)模式下總線頻率 100kHz半周期約 5 微秒留一點(diǎn)余量按 5 到 6 微秒設(shè)置比較穩(wěn)。#include stm32f10x.h #define IIC_SCL_HIGH() GPIOB-BSRR GPIO_BSRR_BS8 #define IIC_SCL_LOW() GPIOB-BRR GPIO_BRR_BR8 #define IIC_SDA_HIGH() GPIOB-BSRR GPIO_BSRR_BS9 #define IIC_SDA_LOW() GPIOB-BRR GPIO_BRR_BR9 #define IIC_SDA_READ() ((GPIOB-IDR GPIO_IDR_IDR9) ! 0) /* 5 微秒量級(jí)的軟件延時(shí), 實(shí)際工程建議換成 SysTick 計(jì)時(shí) */ static void iic_delay(void) { volatile uint32_t n 60; while (n--) { } } void iic_gpio_init(void) { GPIO_InitTypeDef gpio; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); /* SCL 和 SDA 都配置為開(kāi)漏輸出, 外接 4.7k 上拉 */ gpio.GPIO_Pin GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9; gpio.GPIO_Mode GPIO_Mode_Out_OD; gpio.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, gpio); /* 釋放總線, 空閑時(shí)兩根線都是高電平 */ IIC_SCL_HIGH(); IIC_SDA_HIGH(); }這里用 BSRR 和 BRR 寄存器直接置位、清零比GPIO_SetBits、GPIO_ResetBits函數(shù)少一層調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)時(shí)序更平整。SDA 讀取用 IDR 直接取位。開(kāi)漏模式下即使寫(xiě) 1引腳實(shí)際電平也由上拉電阻和總線上的從機(jī)決定所以讀 IDR 能得到真實(shí)總線狀態(tài)這是模擬 IIC 能回讀 ACK 的前提。如果你用推挽模式SDA 讀出來(lái)永遠(yuǎn)是自己寫(xiě)的值從機(jī)是否應(yīng)答就完全測(cè)不出來(lái)故障排查會(huì)變成黑匣子。3.2 起始、停止、應(yīng)答三個(gè)時(shí)序單元的實(shí)現(xiàn)模擬 IIC 的所有操作都由三個(gè)基本單元拼出來(lái)起始條件、停止條件、應(yīng)答位。起始條件是在 SCL 為高時(shí)SDA 從高變低停止條件是 SCL 為高時(shí)SDA 從低變高。應(yīng)答位是在發(fā)送完 8 位數(shù)據(jù)后釋放 SDA在第 9 個(gè) SCL 高電平期間讀取 SDA 是否為低。這三個(gè)函數(shù)寫(xiě)對(duì)了整個(gè)協(xié)議就成立寫(xiě)錯(cuò)了后面無(wú)論怎么調(diào)都讀不到數(shù)據(jù)。void iic_start(void) { IIC_SDA_HIGH(); IIC_SCL_HIGH(); iic_delay(); IIC_SDA_LOW(); /* SCL 高電平期間 SDA 下降沿 起始 */ iic_delay(); IIC_SCL_LOW(); } void iic_stop(void) { IIC_SDA_LOW(); IIC_SCL_HIGH(); iic_delay(); IIC_SDA_HIGH(); /* SCL 高電平期間 SDA 上升沿 停止 */ iic_delay(); } /* 主機(jī)發(fā)送應(yīng)答: ack1 回 ACK, ack0 回 NACK */ void iic_send_ack(uint8_t ack) { IIC_SCL_LOW(); if (ack) { IIC_SDA_LOW(); } else { IIC_SDA_HIGH(); } iic_delay(); IIC_SCL_HIGH(); iic_delay(); IIC_SCL_LOW(); IIC_SDA_HIGH(); /* 釋放 SDA, 準(zhǔn)備下一字節(jié) */ } /* 主機(jī)等待從機(jī)應(yīng)答, 返回 0 表示收到 ACK, 1 表示 NACK */ uint8_t iic_wait_ack(void) { uint8_t ret; IIC_SDA_HIGH(); /* 釋放 SDA, 讓從機(jī)拉低 */ iic_delay(); IIC_SCL_HIGH(); iic_delay(); ret IIC_SDA_READ() ? 1 : 0; IIC_SCL_LOW(); return ret; }時(shí)序里幾個(gè)順序不能亂。iic_start中先把 SDA 拉高、SCL 拉高再讓 SDA 下降如果順序顛倒從機(jī)會(huì)把這次變化當(dāng)成普通數(shù)據(jù)位。iic_send_ack里在 SCL 低電平期間改變 SDA然后拉高 SCL 讓從機(jī)采樣這個(gè)「低電平改數(shù)據(jù)、高電平采樣」的規(guī)則貫穿整個(gè) IIC 協(xié)議。iic_wait_ack中先釋放 SDA 再拉高 SCL順序顛倒的話你自己拉低 SDA 而 SCL 同時(shí)變高就會(huì)被從機(jī)誤判為起始或停止條件。3.3 字節(jié)收發(fā)與寄存器讀寫(xiě)封裝有了時(shí)序單元字節(jié)收發(fā)就是 8 次循環(huán)每次在 SCL 低時(shí)把數(shù)據(jù)位放到 SDA 上然后拉高 SCL 讓從機(jī)采樣。讀字節(jié)則相反每次拉高 SCL 后從 SDA 取位再拉低。字節(jié)收完之后要處理 ACK發(fā)送方向由主機(jī)在收完從機(jī)的 ACK 后決定是否繼續(xù)。/* 主機(jī)向從機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié), 返回從機(jī)的應(yīng)答: 0ACK, 1NACK */ uint8_t iic_write_byte(uint8_t data) { uint8_t i, ack; for (i 0; i 8; i) { IIC_SCL_LOW(); if (data 0x80) { IIC_SDA_HIGH(); } else { IIC_SDA_LOW(); } data 1; iic_delay(); IIC_SCL_HIGH(); iic_delay(); } IIC_SCL_LOW(); ack iic_wait_ack(); return ack; } /* 主機(jī)從從機(jī)讀一個(gè)字節(jié), send_ack1 表示讀完后回 ACK, 0 表示回 NACK */ uint8_t iic_read_byte(uint8_t send_ack) { uint8_t i, data 0; IIC_SDA_HIGH(); /* 釋放 SDA, 由從機(jī)驅(qū)動(dòng) */ for (i 0; i 8; i) { data 1; IIC_SCL_HIGH(); iic_delay(); if (IIC_SDA_READ()) { data | 0x01; } IIC_SCL_LOW(); iic_delay(); } iic_send_ack(send_ack); return data; }注意iic_read_byte循環(huán)結(jié)束后調(diào)用iic_send_ack把主機(jī)的應(yīng)答發(fā)出去。讀單個(gè)寄存器時(shí)給 NACK讀多個(gè)寄存器時(shí)前幾個(gè)字節(jié)給 ACK、最后一個(gè)給 NACK。把這個(gè)細(xì)節(jié)搞混會(huì)出現(xiàn)讀到的第一個(gè)字節(jié)正確后續(xù)字節(jié)全錯(cuò)或者總線被從機(jī)卡住的情況。在字節(jié)層之上我封了三個(gè)函數(shù)寫(xiě)單個(gè)寄存器、讀單個(gè)寄存器、連續(xù)讀多個(gè)寄存器。這些函數(shù)內(nèi)部處理地址字節(jié)、命令字節(jié)和重復(fù)起始對(duì)上層完全隱藏協(xié)議細(xì)節(jié)/* 寫(xiě) PCA9555 單個(gè)寄存器: reg 為命令字節(jié), val 為寫(xiě)入值 */ uint8_t pca9555_write_reg(uint8_t reg, uint8_t val) { iic_start(); if (iic_write_byte(PCA9555_WRITE_ADDR)) { iic_stop(); return 1; } if (iic_write_byte(reg)) { iic_stop(); return 2; } if (iic_write_byte(val)) { iic_stop(); return 3; } iic_stop(); return 0; } /* 讀 PCA9555 單個(gè)寄存器 */ uint8_t pca9555_read_reg(uint8_t reg, uint8_t *val) { iic_start(); if (iic_write_byte(PCA9555_WRITE_ADDR)) { iic_stop(); return 1; } if (iic_write_byte(reg)) { iic_stop(); return 2; } iic_start(); /* 重復(fù)起始條件 */ if (iic_write_byte(PCA9555_READ_ADDR)) { iic_stop(); return 3; } *val iic_read_byte(0); /* 只讀一個(gè)字節(jié), 回 NACK */ iic_stop(); return 0; }返回值攜帶錯(cuò)誤碼很重要。三個(gè)返回值分別對(duì)應(yīng)從機(jī)地址沒(méi)應(yīng)答、命令字節(jié)沒(méi)應(yīng)答、數(shù)據(jù)字節(jié)沒(méi)應(yīng)答可以根據(jù)返回值判斷是哪一步出了問(wèn)題。如果全部返回 1從機(jī)地址就沒(méi)被應(yīng)答先查接線和地址引腳如果返回 3說(shuō)明地址和命令字節(jié)都被應(yīng)答了但寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)出問(wèn)題可能是從機(jī)忙或總線被拉低。3.4 上電初始化順序配置寄存器必須最先寫(xiě)PCA9555 上電后所有引腳默認(rèn)為輸入輸出寄存器是 0xFF。想要某些引腳輸出必須先寫(xiě)配置寄存器把對(duì)應(yīng)位清 0再寫(xiě)輸出寄存器設(shè)定初始電平。順序反了會(huì)出現(xiàn)引腳短暫輸出高電平、繼電器誤動(dòng)的現(xiàn)象這一點(diǎn)在做執(zhí)行器控制時(shí)很容易遇到。/* 端口 0 全部輸出, 端口 1 全部輸入; 輸出端口初始為低電平 */ void pca9555_init(void) { iic_gpio_init(); /* 先定方向: bit1 輸入, bit0 輸出 命令 0x06 是配置端口 0, 命令 0x07 是配置端口 1 */ pca9555_write_reg(0x06, 0x00); pca9555_write_reg(0x07, 0xFF); /* 再定初始電平, 正點(diǎn)原子風(fēng)格的板子常把 P0 接 LED 陽(yáng)極, 這里寫(xiě) 0x00 讓 16 位輸出全部為低 */ pca9555_write_reg(0x02, 0x00); pca9555_write_reg(0x03, 0x00); /* 極性反轉(zhuǎn)寄存器保持默認(rèn) 0x00, 不翻轉(zhuǎn)輸入 */ pca9555_write_reg(0x04, 0x00); pca9555_write_reg(0x05, 0x00); }初始化里每個(gè)寄存器都是單寫(xiě)。如果嫌 6 次事務(wù)太多可以用連續(xù)寫(xiě)先寫(xiě)命令 0x02然后連續(xù)發(fā)兩個(gè)字節(jié)分別落到輸出端口 0 和輸出端口 1因?yàn)槊钭止?jié)會(huì)自動(dòng)遞增。配置寄存器同理從 0x06 開(kāi)始連續(xù)寫(xiě)兩個(gè)字節(jié)就能同時(shí)設(shè)好兩個(gè)端口的方向。這種寫(xiě)法省時(shí)間但可讀性差一些新項(xiàng)目里我通常先按單寫(xiě)跑通再優(yōu)化合并。4. 讀寫(xiě)操作踩坑記錄五條排查清單4.1 讀回來(lái)的端口值全 0xFF 或全 0x00現(xiàn)象初始化寫(xiě)配置寄存器看起來(lái)正常讀輸入端口時(shí)無(wú)論怎么按按鍵返回的都是 0xFF 或 0x00。原因通常是 SDA 沒(méi)有配成開(kāi)漏輸出或者上拉電阻沒(méi)接。推挽輸出模式下主機(jī)讀 IDR 只能讀到自己寫(xiě)出去的電平從機(jī)拉低總線的動(dòng)作對(duì) MCU 不可見(jiàn)。解決方法是檢查 GPIO 模式配置確認(rèn)是GPIO_Mode_Out_OD并用萬(wàn)用表量 SDA 空閑時(shí)是否為 3.3V?？臻e不為高說(shuō)明上拉缺失或總線被短路。4.2 從機(jī)地址寫(xiě)錯(cuò)導(dǎo)致完全無(wú)應(yīng)答現(xiàn)象pca9555_write_reg每次都返回 1起始條件之后第一個(gè)字節(jié)就收到 NACK。原因是地址字節(jié)用錯(cuò)了把 7 位地址 0x20 直接當(dāng)作寫(xiě)字節(jié)發(fā)出去從機(jī)比較的是完整字節(jié)的 7 位最低位的讀寫(xiě)位被當(dāng)成了地址的一部分地址變成 0x10 對(duì)應(yīng)的高位自然無(wú)人應(yīng)答。解決方法是確認(rèn)宏定義PCA9555_WRITE_ADDR是0x20 1并用邏輯分析儀抓一下第一個(gè)字節(jié)看看實(shí)際發(fā)出的 8 位數(shù)據(jù)是不是0100 0000。4.3 連續(xù)讀多個(gè)寄存器時(shí)只有第一個(gè)字節(jié)正確現(xiàn)象讀端口 0 和端口 1 的連續(xù)讀函數(shù)返回的第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)正確第二個(gè)字節(jié)始終為 0xFF 或沒(méi)有變化。原因是在讀第一個(gè)字節(jié)后回了 ACK但從機(jī)的數(shù)據(jù)更新需要時(shí)間或者主機(jī)在發(fā)出 ACK 后沒(méi)有及時(shí)切回接收態(tài)就發(fā)了下一個(gè) SCL 脈沖。另一種常見(jiàn)原因是漏掉了重復(fù)起始條件在寫(xiě)完命令字節(jié)之后直接進(jìn)入讀而沒(méi)有重新發(fā) START。解決方法是補(bǔ)上iic_start()重復(fù)起始并且確認(rèn)非最后一字節(jié)回 ACK、最后一字節(jié)回 NACK。4.4 寫(xiě)輸出寄存器后引腳電壓不變化現(xiàn)象配置寄存器寫(xiě)了 0x00 把端口 0 設(shè)為輸出再寫(xiě)輸出寄存器 0x00 或 0xFF用萬(wàn)用表量引腳卻始終是高電平時(shí)或高阻態(tài)。原因可能是初始化順序?qū)懛戳讼葘?xiě)輸出寄存器再寫(xiě)配置寄存器寫(xiě)入輸出寄存器的瞬間引腳還是輸入等配置寄存器改成輸出時(shí)才生效看起來(lái)好像「寫(xiě)不進(jìn)」。另一個(gè)原因是 PCA9555 的供電和上拉電壓不一致輸出高電平被鉗位在較低電壓驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)看不到亮。解決方法是調(diào)整初始化順序配置寄存器必須在輸出寄存器之前寫(xiě)并確認(rèn) VDD 與 IO 上拉電壓匹配。4.5 總線被從機(jī)拉低后無(wú)法恢復(fù)現(xiàn)象程序運(yùn)行中復(fù)位 MCU 后PCA9555 仍保持著上一次通信中途的狀態(tài)SDA 一直被它拉低新程序發(fā)起始條件時(shí) SCL 為高但 SDA 本來(lái)就是低的起始條件無(wú)法生成整個(gè)總線掛死。原因是從機(jī)在讀取過(guò)程中被復(fù)位打斷它還在等待第 9 個(gè)時(shí)鐘持續(xù)驅(qū)動(dòng) SDA 為低。解決方法是上電初始化時(shí)先發(fā) 9 個(gè) SCL 脈沖把從機(jī)的移位寄存器清空再發(fā) STOP 條件讓總線回到空閑。這個(gè)恢復(fù)序列在 IIC 從設(shè)備較多的系統(tǒng)里應(yīng)該成為固定動(dòng)作。/* 上電時(shí)先恢復(fù)總線: 9 個(gè) SCL 脈沖 STOP */ void iic_bus_recovery(void) { uint8_t i; IIC_SDA_HIGH(); for (i 0; i 9; i) { IIC_SCL_LOW(); iic_delay(); IIC_SCL_HIGH(); iic_delay(); } iic_stop(); }這段恢復(fù)代碼建議放在iic_gpio_init之后、任何 PCA9555 通信之前。我遇到過(guò)板子熱插拔 IO 擴(kuò)展模塊后總線鎖死的情況加了這段之后省了不少重新上電的麻煩。5. 把驅(qū)動(dòng)變成可靠工具中斷輸入與批量讀寫(xiě)技巧5.1 用中斷引腳代替輪詢(xún)減少總線占用的做法PCA9555 的 INT 引腳在任一輸入引腳狀態(tài)變化時(shí)拉低配置成下降沿觸發(fā)接 MCU 的外部中斷即可。這樣主循環(huán)不用反復(fù)讀輸入端口按鍵按下時(shí)才進(jìn)中斷在中斷里讀一次輸入端口并清中斷。需要注意的是PCA9555 的中斷是「變化觸發(fā)」讀一次輸入端口之后鎖存器才會(huì)釋放 INT 引腳如果只讀一個(gè)端口另一個(gè)端口有變化時(shí) INT 不會(huì)釋放所以中斷里最好把兩個(gè)端口都讀一遍。/* 外部中斷里讀兩個(gè)輸入端口, 讀操作本身會(huì)清除中斷鎖存 */ void EXTI9_5_IRQHandler(void) { uint8_t p0, p1; if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line5) ! RESET) { pca9555_read_reg(0x00, p0); pca9555_read_reg(0x01, p1); key_event_handler(p0, p1); EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line5); } }中斷服務(wù)函數(shù)里調(diào)用 IIC 讀函數(shù)會(huì)引入幾毫秒的阻塞如果有更高優(yōu)先級(jí)的中斷對(duì)時(shí)序敏感可以把讀操作放到標(biāo)志位里退出中斷后主循環(huán)再讀。這一點(diǎn)和按鍵消抖要一起考慮機(jī)械按鍵的抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多次中斷可以在讀回值之后做 10 到 20 毫秒的軟件確認(rèn)。5.2 端口值的按位操作避免讀改寫(xiě)覆蓋其他位直接對(duì)一個(gè)端口寫(xiě) 0xFF 或 0x00 會(huì)覆蓋該端口所有引腳如果同一個(gè)端口上既有需要保持狀態(tài)的輸出又有需要切換的輸出就得先讀回輸出寄存器再按位修改。PCA9555 的輸出寄存器是可讀的讀出來(lái)的就是當(dāng)前鎖存值用這種方式做按位操作最安全。/* 修改端口 0 的單個(gè)輸出位, 不影響同端口其他引腳 */ uint8_t pca9555_set_output_bit(uint8_t port, uint8_t bit, uint8_t level) { uint8_t reg (port 0) ? 0x02 : 0x03; uint8_t val; if (pca9555_read_reg(reg, val)) { return 1; } if (level) { val | (uint8_t)(1u bit); } else { val (uint8_t)~(1u bit); } return pca9555_write_reg(reg, val); }讀改寫(xiě)中間存在一個(gè)窗口期如果 INT 中斷搶占并修改同一個(gè)端口可能丟失更新。簡(jiǎn)單系統(tǒng)里可以關(guān)中斷保護(hù)或者干脆把輸出端口按用途分區(qū)不同任務(wù)操作不同端口。我在一個(gè)小型控制器項(xiàng)目里就把端口 0 固定給繼電器、端口 1 固定給按鍵徹底避免共享寫(xiě)入。5.3 速率與上拉的邊界兩個(gè)容易忽略的硬約束模擬 IIC 的速率不是越快越好。SCL 頻率提高后上拉電阻和總線電容構(gòu)成的 RC 延時(shí)會(huì)讓上升沿變緩PCA9555 在高電平期間采到的電平可能還沒(méi)爬到位表現(xiàn)為偶發(fā) NACK 或數(shù)據(jù)錯(cuò)位。常規(guī) 4.7kΩ 上拉配 100kHz 是穩(wěn)妥組合如果非要跑到 400kHz上拉要降到 2.2kΩ 左右并縮短走線而且模擬 IIC 的延時(shí)函數(shù)要按實(shí)測(cè)調(diào)整。另一個(gè)約束是 PCA9555 的驅(qū)動(dòng)能力。每個(gè)輸出引腳灌電流和拉電流能力有限直接驅(qū)動(dòng)繼電器線圈會(huì)燒 IO必須加三極管或驅(qū)動(dòng)芯片。它的中斷引腳是開(kāi)漏輸出也需要上拉。這些硬件層面的邊界往往比軟件時(shí)序更容易被新手忽略。5.4 上板驗(yàn)證的順序從回讀到輸出的閉環(huán)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)是否正常我一般按四步走第一步只讀設(shè)備地址確認(rèn)收到 ACK第二步讀配置寄存器默認(rèn)值 0xFF確認(rèn)能正確讀出第三步寫(xiě)配置寄存器把端口 0 設(shè)為輸出再讀回來(lái)確認(rèn)寫(xiě)入生效第四步在端口 0 交替寫(xiě) 0x55 和 0xAA用萬(wàn)用表或 LED 觀察引腳變化。四步都通過(guò)說(shuō)明地址、時(shí)序、讀寫(xiě)方向都沒(méi)有問(wèn)題剩下的就是業(yè)務(wù)邏輯。這套順序的好處是每步只驗(yàn)證一個(gè)變量出問(wèn)題時(shí)能立刻定位是地址、總線時(shí)序還是寄存器寫(xiě)入。如果第一步就失敗先查接線和上拉第二步失敗查讀時(shí)序第三步失敗查命令字節(jié)遞增或重復(fù)起始條件第四步失敗查輸出寄存器與配置寄存器的順序。5.5 從單點(diǎn)驗(yàn)證到反復(fù)可用的習(xí)慣模擬 IIC 驅(qū)動(dòng)寫(xiě)完一次不代表以后都可靠。我在每次換板子、換上拉電阻、換主頻之后都會(huì)重新跑一遍上面那個(gè)四步驗(yàn)證因?yàn)闀r(shí)序延時(shí)和 GPIO 翻轉(zhuǎn)速度都可能變化。把iic_bus_recovery放在初始化最前面把每個(gè)讀寫(xiě)函數(shù)的返回值都做判斷把寄存器操作封裝成帶錯(cuò)誤碼的函數(shù)——這些看起來(lái)繁瑣的動(dòng)作能避免后面調(diào)試時(shí)在硬件和軟件之間反復(fù)懷疑。希望這篇筆記能幫到正在用 STM32F103 擴(kuò)展 IO 的你少走一點(diǎn)彎路把時(shí)間留給真正需要調(diào)試的業(yè)務(wù)邏輯。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取