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对于某些嵌入式开发板，由于其功能强劲往往引脚资源被分配殆尽，要想进行外设控制较难找到空闲引脚可用。

曾用过每款开发板，其留给用户的GPIO引脚就只有3个。

那任何布局呢？

方法就是使用并行扩展器件来解决，在众多的选择中，PCF8574就是一个不错的选择对象。

PCF8574是德州仪器（TI）推出的一款常用I/O扩展芯片，主要解决微控制器（MCU）I/O引脚数量不足的问题。它采用I²C（Inter-Integrated Circuit）总线进行通信，仅需两根线（SDA串行数据线和SCL串行时钟线）即可实现MCU与芯片之间的数据交互，能为系统额外扩展8个双向I/O口，极大地提高了电路设计的灵活性。

图1 器件内部结构框架 

该芯片的工作电压范围较宽，通常为2.5V至5.5V，兼容5V和3.3V两种常见的MCU系统电压，这使得它在各种电子设备中都有广泛的应用，如智能家居控制模块、工业自动化检测设备、小型消费电子产品等。

PCF8574通过I²C总线与MCU通信，该总线是一种多主从架构的串行通信总线。在通信过程中，MCU作为主设备，PCF8574作为从设备。主设备通过SCL线产生时钟信号，同步SDA线上的数据传输。

I²C通信的基本流程包括：起始条件（主设备拉低SDA线时SCL线为高电平）、从设备地址发送（主设备发送7位从设备地址和1位读写控制位）、应答信号（从设备接收到正确地址后拉低SDA线表示应答）、数据传输（主从设备之间通过SDA线传输8位数据，每传输完一个字节都有应答信号）、停止条件（主设备拉高SDA线时SCL线为高电平）。

PCF8574共有16个引脚，其中关键引脚包括：A0、A1、A2（从设备地址选择引脚）、SDA（串行数据线）、SCL（串行时钟线）、P0-P7（8个双向I/O引脚）、VCC（电源正极）、GND（电源负极）。

PCF8574的双向I/O口的实现原理是：PCF8574内部有一个8位的输入/输出寄存器。当MCU向PCF8574写入数据时，数据被存储到该寄存器中，寄存器的输出状态直接控制P0-P7引脚的电平（高电平或低电平），此时引脚作为输出使用；当MCU从PCF8574读取数据时，实际上是读取P0-P7引脚的当前电平状态，并将其存入输入/输出寄存器，再通过I²C总线传输给MCU，此时引脚作为输入使用。需要注意的是，PCF8574的I/O引脚为开漏输出结构，当作为输出高电平时，需要外部上拉电阻才能实现真正的高电平输出（通常上拉电阻取值为4.7kΩ左右）。

为了实现多个I²C从设备在同一总线上的通信，每个从设备都需要有唯一的地址。PCF8574的从设备地址由7位组成，其中高4位固定为0100，低3位由A0、A1、A2引脚的电平状态决定（高电平为1，低电平为0）。通过改变A0、A1、A2引脚的连接方式（接VCC、GND或悬空，悬空视为低电平），可以设置不同的从设备地址，最多可在同一I²C总线上连接8个PCF8574芯片，极大地扩展了I/O口的数量。

图2 引脚功能 

PCF8574的使用，分为2个部分，即：硬件和软件。

1）硬件方面

电源连接：将VCC引脚连接到系统电源（2.5V-5.5V），GND引脚连接到系统地，确保电源电压稳定，避免因电压波动影响芯片正常工作。

I²C总线连接：将SDA引脚连接到MCU的SDA引脚，SCL引脚连接到MCU的SCL引脚。由于I²C总线为开漏输出，通常需要在SDA和SCL线上分别串联一个上拉电阻到VCC，电阻值一般选择4.7kΩ。

地址引脚设置：根据系统中PCF8574的数量和地址分配需求，将A0、A1、A2引脚分别连接到VCC、GND或悬空，确定每个芯片唯一的从设备地址。

I/O引脚连接：将P0-P7引脚根据实际需求连接到外部设备（如LED、按键、传感器等）。当作为输出引脚驱动LED时，可直接串联限流电阻后连接LED；当作为输入引脚读取按键状态时，可配合上拉或下拉电阻使用，确保引脚电平稳定。

图3  I/O结构 

2）软件方面

初始化I²C总线：在MCU中配置I²C总线的通信参数，包括时钟频率（PCF8574支持的I²C时钟频率最高为100kHz，即标准模式）、SDA和SCL引脚的GPIO模式等，使MCU能够正常发起I²C通信。

确定从设备地址：根据硬件电路中A0、A1、A2引脚的连接方式，计算出PCF8574的7位从设备地址，并结合读写控制位（读操作时为1，写操作时为0）形成完整的8位通信地址。

写操作（输出控制）：当需要控制PCF8574的I/O引脚输出电平时，主设备（MCU）发起I²C起始条件，发送包含从设备地址和写控制位的字节，等待从设备应答；收到应答后，发送8位数据（对应P0-P7引脚的输出状态），再次等待应答；最后发起停止条件，完成写操作。此时，PCF8574的I/O引脚会按照写入的数据输出相应的电平。

读操作（输入检测）：当需要读取PCF8574的I/O引脚电平状态时，主设备先发起I²C起始条件，发送包含从设备地址和写控制位的字节，等待应答；收到应答后，发起重复起始条件，再发送包含从设备地址和读控制位的字节，等待应答；收到应答后，主设备开始接收从设备发送的8位数据（对应P0-P7引脚的当前电平状态），接收完成后，主设备发送非应答信号，最后发起停止条件，完成读操作。MCU可通过解析接收到的数据获取外部设备的状态。

图4 工作时序

为了便于进行功能测试，可在Arduino IDE环境下，使用Arduino UNO来控制PCF8574功能模块。

实现输入输出测试的程序为：

图5 测试程序及结果 

实现彩灯控制效果的程序如下：

图6 彩灯效果控制程序

图7 器件连接

图8 控制效果 

在实际应用中，很难都得到Arduino IDE的支持，为此利用仅有的引脚实现并口扩展是是必备的手段。

这里就尝试在RA2L1开发板上以模拟方式控制PCF8574，其引脚连接关系为：

LCD1602_SCL-----P407

LCD1602_SDA----P408 

模拟起始条件的函数内容为：

void IIC_Start()
{
   SDA_Set();
   SCL_Set();
   delay_us();
   SDA_Clr();
   delay_us();
}

接收应答的函数内容为：

void IIC_Ack()
{
   uint8_t i;
   SCL_Set();
   delay_us();
   IIC_INPUT_MODE_SET();
   while((IIC_SDA_IN==1)&&(i<250)) i++; 
   SCL_Clr();
   delay_us();
}

模拟I2C发送字节数据的函数内容为：

void IIC_Write_Byte(uint8_t date)
{
   uint8_t i,temp;
   temp=date;
   IIC_OUTPUT_MODE_SET();
   for(i=0;i<8;i++)
   {
       SCL_Clr(); 
       if(temp & 0x80)
       {
          SDA_Set();
        }
       else
       {
             SDA_Clr();
         }
         temp=temp<<1;
       delay_us();
       delay_us();
       SCL_Set(); 
       delay_us();
   }  
   SCL_Clr();
   delay_us();
   SDA_Set();
   delay_us();
}

实现并行输出控制RGB_LED变换色彩效果的函数为：

void PCF8574_test()
{
   R_BSP_SoftwareDelay(20, BSP_DELAY_UNITS_MICROSECONDS);
   IIC_Start();
   IIC_Write_Byte(ADDR);
   IIC_Ack();
   IIC_Write_Byte(0x01);
   IIC_Ack();
   Delay_ms(500);
   IIC_Write_Byte(0x02);
   IIC_Ack();
   Delay_ms(500);
   IIC_Write_Byte(0x04);
   IIC_Ack();
   Delay_ms(500);
   IIC_Write_Byte(0x03);
   IIC_Ack();
   Delay_ms(500);
   IIC_Write_Byte(0x05);
   IIC_Ack();
   Delay_ms(500);
   IIC_Write_Byte(0x06);
   IIC_Ack();
   Delay_ms(500);
}

进行功能测试的主程序为：

void hal_entry(void)
{
   Delay_ms(300);
   while(1)
   {
      PCF8574_test();
   }
}

经程序的编译和下载，其器件连接和测试效果如图9所示。 

图9 器件连接及测试效果

这样，在面对引脚资源紧俏时就具备了克制的能力。

演示视频：