「ALIENTEK 阿波罗 STM32F767 开发板资料连载」第三十一章 IO 扩展实验

1）实验平台：alientek 阿波罗 STM32F767 开发板
2）摘自《STM32F7 开发指南(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第三十一章 IO 扩展实验
上一章，我们介绍了 IIC 驱动 24C02，本章我们将向大家介绍如何使用 IIC 来扩展 IO 口。
在本章中，我们将使用 STM32F767 的普通 IO 口模拟 IIC 时序，来驱动 PCF8574/AT8574，达
到扩展 IO 口的目的。本章分为如下几个部分：
31.1 PCF8574/AT8574 简介
31.2 硬件设计
31.3 软件设计
31.4 下载验证
31.1 PCF8574/AT8574 简介
PCF8574 是飞利浦公司推出的一款 IIC 接口的远程 I/O 扩展芯片，AT8574 则是芯景科技的
产品，PCF8574 和 AT8574 完全兼容，他们可以互相替换使用，接下来的介绍和说明，我们仅
以 PCF8754 为例做说明，AT8574 参考学习即可。
PCF8574 包含一个 8 位准双向口和一个 IIC 总线接口。PCF8574 电流消耗很低且口输出锁
存具有大电流驱动能力可直接驱动 LED 它还带有一条中断接线（INT）可与 MCU 的中断逻辑
相连，通过 INT 发送中断信号，远端 I/O 口不必经过 IIC 总线通信就可通知 MCU 是否有数据
从端口输入，这意味着 PCF8574 可以作为一个单被控器。
PCF8574 有如下特性：
 支持 2.5~6.0V 操作电压
 低备用电流（≤10u A）
 支持开漏中断输出
 支持 IIC 总线扩展 8 路 I/O 口
 口输出锁存具有大电流驱动能力可直接驱动 LED
 通过 3 个硬件地址引脚可寻址 8 个器件
1，引脚说明
PCF8574 的引脚说明如表 31.1.1 所示：



表 31.1.1 PCF8574 引脚说明
我们使用的 PCF8574T 采用 SO16 封装，总共 16 个脚，其中包括：
8 个准双向 IO 口（P0~P7）、
3 个地址线（A0~A2）、SCL、SDA、INT、VDD 和 VSS。每个 PCF8574T 只需要最少 2 个 IO
口，就可以扩展 8 路 IO，且支持一个 IIC 总线上挂最多 8 个 PCF8574T，这样通过 2 个 IO，最
多可以扩展 64 个 IO 口，在 MCU 的 IO 不够用的时候，PCF8574T 是一个非常不错的 IO 扩展
方案。
2，寻址
一个 IIC 总线上，最多可以挂 8 个 PCF8574T（通过 A0~A2 寻址），PCF8574T 的从机地址
格式如图 31.1.1 所示：



图 31.1.1 PCF8574T 从机地址格式
图中的 S 代表 IIC 的 Start 信号（启动信号）；A 代表 PCF8574T 发出的应答信号；A0~A2
为 PCF8574T 的寻址信息，我们开发板上 A0~A2 都是接 GND 的，所以，PCF8574T 的地址为：
0X40（左移了一位）；R/W 为读/写控制位，R/W=0 的时候，表示写数据到 PCF8574T，输出到
P0~P7 口，R/W=1 的时候，表示读取 PCF8574T 的数据，获取 P0~P7 的 IO 口状态。
关于 IIC 协议的介绍，请参考上一章节。
3，写数据（输出）
PCF8574T 的写数据时序如图 31.1.2 所示：



图 31.1.2 PCF8574T 写数据时序
由图可知，PCF8574T 的数据写入非常简单，首先发送 PCF8574T 的从机地址+写信号
（R/W=0），然后等待 PCF8574T 的应答信号，在应答成功后，发送数据（DATA1）给 PCF8574T
就可以了，发送完数据，会受到 PCF8574T 的应答信号，在发送应答信号的同时，PCF8574T
会将接收到的数据（DATA1）输出到 P0~P7 上面（对应关系见上图）。注意：图中的 WRITE TO
PORT 信号是 PCF8574T 内部自己产生的，它在每次发送应答的同时产生，用于将刚刚接收到
的数据，输出到 P0~P7 上，此信号不需要 MCU 发送。
4，读数据（输入）
PCF8574T 的读数据时序如图 31.1.3 所示：


图 31.1.3 PCF8574T 读数据时序
PCF8574T 的读数据流程：首先发送 PCF8574T 的从机地址+读信号（R/W=1），然后等待
PCF8574T 应答（注意：PCF8574T 在发送应答的同时，会锁存 P0~P7 的数据），然后读取 P0~P7
的数据。数据读取支持连续读取，在最后的时候发送 STOP 信号，即可完成读数据操作。
这里需要注意的是：PCF8574T 的数据锁存（READ FROM PORT），发生在发送应答信号
的时候，之后，P0~P7 发送的数据变化（比如图中的 DATA2 和 DATA3），将不会读取进来，直
到下一个应答信号进行锁存。
5，中断
PCF8574T 带有中断输出脚，它可以连接到 MCU 的中断输入引脚上。在输入模式中（IO
口输出高电平，即可做输入使用），输入信的上升或下降沿都可以产生中断，在 tiv 时间之后 INT
有效。特别注意：一旦中断有效后，必须对 PCF8574T 进行一次读取/写入操作，复位中断，
才可以输出下一次中断，否则中断将一直保持（无法输出下一次输入信号变化所产生的中断）。
关于 PCF8574 的简介，我们就介绍到这里。
本章实验功能简介：开机的时候先检测 PCF8574T 是否存在，然后在主循环里面检测 KEY0
按键和 PCF8574T 的中断信号，当 KEY0 按下时，控制 PCF8574T 的 P0 口输出，从而控制蜂鸣
器（连接在 P0 口）的开关；当检测到 PCF8574T 的中断信号时，读取 EXIO（连接在 PCF8574T
的 P4 口）的状态，当 EXIO=0（即 P4=0）的时候，控制 LED1 的翻转。同时，LCD 模块上显
示相关信息，并用 DS0 提示程序正在运行。另外，本例程将 PCF8574T 的相关控制函数加入
USMART 控制，我们也可以通过 USMART 控制/读取 PCF8574T。
31.2 硬件设计
本章需要用到的硬件资源有：
1） 指示灯 DS0
2）KEY0 按键
3）串口（USMART 使用）
4）LCD 模块
5）PCF8574T
6）蜂鸣器
前面 4 部分的资源，我们前面已经介绍了，请大家参考相关章节。这里介绍 PCF8574T 与
STM32F767 和蜂鸣器的连接，PCF8574T 同 24C02 等共用一个 IIC 接口，SCL 和 SDA 分别连
在 STM32F767 的 PH4 和 PH5 上的，另外 INT 脚连接在 STM32F767 的 PB12 上面，连接关系
如图 31.2.1 所示：


图 31.2.1 PCF8574T 与 STM32F767 和蜂鸣器的连接图
由图可知，蜂鸣器控制信号 BEEP 连接在 PCF8574T 的 P0 脚上，EXIO 连接在 P4 脚上，
其他还连接了一些外设（比如网络复位脚、摄像头、USB、485 等），我们将在对应章节进行
介绍，这里就不多说了。这里需要注意的是：IIC_INT 脚，同 1WIRE_DQ 共用了 PB12，在使
用的时候，他们只能分时复用，不能同时使用。
31.3 软件设计
打开本章实验工程可以看到，由于 PCF8574 要使用到 IIC 接口，所以这里我们保留了上一
章 icc 相关源码。同时还新建了 pcf8574.c 源文件和 pcf8574.h 头文件，PCF8574 相关的驱动代
码就存放在这两个文件中。
打开 pcf8574.c 文件，代码如下：
//初始化 PCF8574
u8 PCF8574_Init(void)
{
u8 temp=0;
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
//使能 GPIOB 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_12; //PB12
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_INPUT; //输入
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH; //高速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure); //初始化
IIC_Init();
//IIC 初始化
//检查 PCF8574 是否在位
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(PCF8574_ADDR); //写地址
temp=IIC_Wait_Ack(); //等待应答,通过判断是否有 ACK 应答,来判断 PCF8574 的状态
IIC_Stop();
//产生一个停止条件
PCF8574_WriteOneByte(0XFF); //默认情况下所有 IO 输出高电平
return temp;
}
//读取 PCF8574 的 8 位 IO 值
//返回值:读到的数据
u8 PCF8574_ReadOneByte(void)
{
u8 temp=0;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(PCF8574_ADDR|0X01); //进入接收模式
IIC_Wait_Ack();
temp=IIC_Read_Byte(0);
IIC_Stop();
//产生一个停止条件
return temp;
}
//向 PCF8574 写入 8 位 IO 值
//DataToWrite:要写入的数据
void PCF8574_WriteOneByte(u8 DataToWrite)
{
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(PCF8574_ADDR|0X00); //发送器件地址 0X40,写数据
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(DataToWrite);
//发送字节
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop();
//产生一个停止条件
delay_ms(10);
}
//设置 PCF8574 某个 IO 的高低电平
//bit:要设置的 IO 编号,0~7
//sta:IO 的状态;0 或 1
void PCF8574_WriteBit(u8 bit,u8 sta)
{
u8 data;
data=PCF8574_ReadOneByte(); //先读出原来的设置
if(sta==0)data&=~(1< else data|=1< PCF8574_WriteOneByte(data); //写入新的数据
}
//读取 PCF8574 的某个 IO 的值
//bit：要读取的 IO 编号,0~7
//返回值:此 IO 的值,0 或 1
u8 PCF8574_ReadBit(u8 bit)
{
u8 data;
data=PCF8574_ReadOneByte(); //先读取这个 8 位 IO 的值
if(data&(1< else return 0;
}
该部分为 PCF8574 的驱动代码，其中的 IIC 相关函数，直接是用的上一章 myiic.c 里面提
供的相关函数，这里不做介绍。
这里总共有5 个函数：PCF8574_Init函数用于初始化并检测PCF8574，这里我们初始化PB12
为上拉输入，以检测 PCF8574T 的中断输出信号，另外，在该函数里面，我们通过检查 PCF8574
的应答信号来确认 PCF8574 是否正常（在位）；PCF8574_ReadOneByte 和 PCF8574_WriteOneByte
这两个函数用于读取/写入 PCF8574，从而读取/控制 P0~P7；最后，PCF8574_WriteBit 和
PCF8574_ReadBit 函数用于控制或者读取 PCF8574 的单个 IO。
pcf8547.h 头文件定义了 PCF8574 的中断检测脚、地址、每个 IO 连接的外设宏定义和相
关操作函数声明。这里我们就不列出该头文件内容，请大家自行打开实验工程查看。
最后我们看看 main 函数，程序如下：
int main(void)
{
u8 key;
u16 i=0;
u8 beepsta=1;
Cache_Enable(); //打开 L1-Cache
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(432,25,2,9);
//设置时钟,216Mhz
…//此处省略部分代码
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"KEY0:BEEP ON/OFF"); //显示提示信息
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"EXIO:DS1 ON/OFF");
//显示提示信息
while(PCF8574_Init())
//检测不到 PCF8574
{
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"PCF8574 Check Failed!");
delay_ms(500);
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Please Check! ");
delay_ms(500);
LED0_Toggle;//DS0 闪烁
}
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"PCF8574 Ready!");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY0_PRES)//KEY0 按下,读取字符串并显示
{
beepsta=!beepsta;
//蜂鸣器状态取反
PCF8574_WriteBit(BEEP_IO,beepsta);//控制蜂鸣器
}
if(PCF8574_INT==0)
//PCF8574 的中断低电平有效
{
key=PCF8574_ReadBit(EX_IO);
//读取 EXIO 状态,同时清除 PCF8574 的中断输出(INT 恢复高电平)
if(key==0)LED1_Toggle;
//LED1 状态取反
}
i++;
delay_ms(10);
if(i==20)
{
LED0_Toggle;//提示系统正在运行
i=0;
}
}
}
该段代码，我们通过 KEY0 按键可以控制蜂鸣器的开关，另外，在 while 循环里面，会不
停的检测 PCF8574 的中断引脚，是否有输出中断，如果有，就读取 EXIO 的状态（读操作会复
位中断，以便检测下一个中断），当 EXIO=0 的时候控制 DS1 开关。同时，在 LCD 模块上面
显示相关信息，并用 DS0 指示程序运行状态。
最后，我们将 PCF8574_ReadOneByte、PCF8574_WriteOneByte、PCF8574_ReadBit 和
PCF8574_WriteBit 这四个函数加入 USMART 控制，这样，我们就可以通过串口调试助手，控
制 PCF8574，方便测试。
至此，我们的软件设计部分就结束了。
31.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK 阿波罗 STM32 开发板上，得到如
图 31.4.1 所示的界面：


图 31.4.1 程序运行界面
屏幕提示 PCF8574 Ready！，表示 PCF8574 已经准备好，同时 DS0 会不停的闪烁，提示程
序正在运行。此时，我们按按键 KEY0，就可以控制蜂鸣器的开和关。我也可以用一根杜邦线，
连接 EXIO（在 P3 排针的最左下角）和 GND（短接一次 GND，改变一次 DS1 的状态），就可
以控制 DS1 的开和关。
另外，本例程还可以用 USMART 调用 PCF8574 相关函数进行控制，大家可以自行测试下，
我们这里就不给大家演示了。