开源物联网技术--IIC I/O扩展芯片的软硬件设计分享

01

物联网系统中为什么要使用IIC I/O扩展芯片

在物联网系统中使用IIC（也称为I2C）I/O扩展芯片的原因主要可以归结为以下几点：

1、扩大I/O端口数量

硬件资源限制：许多微控制器（MCU）自带的I/O端口数量有限，但物联网项目往往需要连接大量的传感器、执行器和其他外设。I2C I/O扩展芯片能够通过I2C接口提供额外的I/O端口，从而满足项目需求。

灵活性：通过扩展芯片，设计者可以根据项目需求灵活增加或减少外设连接，而无需更换主控制器。

2、简化布线和连接

减少引脚需求：I2C总线仅需要两根线（SCL时钟线和SDA数据线）即可实现多个设备之间的通信，这大大减少了系统布线的复杂性和成本。

便于管理：通过I2C总线连接的设备可以使用统一的通信协议进行通信，简化了系统的维护和管理工作。

3、提高系统性能

高效通信：I2C协议具有高效的通信机制，能够支持高速数据传输，提高系统的整体性能。

时钟控制：I2C I/O扩展芯片可以控制外部设备的时钟，有助于优化系统的时序控制，提高系统的稳定性和可靠性。

4、降低成本和功耗

减少元件数量：使用I2C I/O扩展芯片可以减少系统中其他类型扩展元件的使用，从而降低整体成本。

低功耗：I2C总线支持低功耗模式，有助于降低系统的整体功耗，延长电池寿命（在便携式或无线物联网设备中尤为重要）。

5、广泛应用场景

传感器网络：在物联网系统中，传感器是不可或缺的组成部分。I2C I/O扩展芯片可以方便地连接各种类型的传感器（如温度、湿度、加速度计等），实现数据的采集和传输。

工业自动化：在工业自动化领域，PLC等控制系统需要与大量外设进行通信。I2C I/O扩展芯片能够满足这一需求，提高工业自动化系统的集成度和可靠性。

智能家居：智能家居系统需要连接和控制各种智能家电和设备。I2C I/O扩展芯片可以扩展智能家居系统的控制能力，实现更多样化的功能。

工业自动化和控制：在工业自动化系统中，经常需要连接和控制大量的传感器、执行器和其他设备。IIC IO扩展芯片可以提供更多的IO端口，以便与这些设备进行通信和控制。例如，它们可以用于读取传感器的数据、控制执行器的动作或与其他工业设备进行交互。

消费电子产品：在消费电子产品中，如智能家居设备、智能音箱、智能手环等，IIC IO扩展芯片也发挥着重要作用。它们可以用于扩展设备的IO接口，以便连接更多的外部设备或传感器。例如，智能音箱可以通过IIC IO扩展芯片连接更多的麦克风或扬声器，提高音频处理的性能和质量。

嵌入式系统：在嵌入式系统中，由于资源限制和成本考虑，微控制器的IO端口数量往往有限。IIC IO扩展芯片可以有效地解决这个问题，为嵌入式系统提供额外的IO端口。这些端口可以用于连接外部设备、扩展系统功能或实现与其他系统的通信。

测试与测量设备：在测试和测量领域，IIC IO扩展芯片可以用于连接各种测试设备和传感器。通过扩展IO端口，测试设备可以获取更多的数据输入，提高测试的准确性和效率。同时，IIC IO扩展芯片还可以用于控制测试过程中的各种设备和参数。

医疗设备：在医疗设备中，IIC IO扩展芯片可以用于连接各种医疗传感器和执行器。例如，在监护仪中，IIC IO扩展芯片可以连接多个生命体征传感器，实时监测患者的血压、心率等生理参数。在医疗机器人中，IIC IO扩展芯片可以控制机器人的运动和操作。

综上所述，IIC（I2C）I/O扩展芯片在物联网系统中扮演着重要角色，它们通过提供额外的I/O端口、简化布线和连接、提高系统性能、降低成本和功耗以及支持广泛应用场景等方式，为物联网系统的设计和实现带来了诸多便利和优势。

02

IIC I/O扩展芯片的行业知识介绍

IIC I/O扩展芯片定义

IIc接口IO扩展芯片是一种可以为电子设备添加输入输出功能的集成电路，它可以有效提高设备的性能。

IIC 原理

I²C通信协议：I²C是一种串行通信协议，用于连接微控制器及其外围设备。它只需要两根线（SDA数据线和SCL时钟线）即可实现全双工通信，同时还可以连接多个设备到同一总线上。

设备寻址：每个I²C设备都有一个唯一的地址，主控制器通过发送设备的地址来选中并与之通信。I²C扩展IO芯片也具备一个或多个可设置的地址，以便主控制器能够识别并与之通信。

数据传输：在选中特定的I²C设备后，主控制器可以通过I²C总线发送数据到该设备，或者从该设备读取数据。对于I²C扩展IO芯片，主控制器可以发送命令来设置或读取IO端口的电平状态，从而实现对外围设备的控制或监测。

中断机制：许多I²C扩展IO芯片还具备中断功能。当IO端口的电平状态发生变化时，芯片可以产生一个中断信号，通知主控制器进行相应的处理。这样，主控制器可以更加高效地响应外部事件，而无需持续轮询IO端口的状态。

内部寄存器：I²C扩展IO芯片内部通常包含多个寄存器，用于存储IO端口的配置信息、数据等。主控制器可以通过I²C总线访问这些寄存器，以实现对IO端口的控制和管理。

IIC I/O扩展芯片的参数选型

电源电压：确保你的系统电源电压与IO扩展芯片的电源电压兼容。常见的电源电压范围包括1.8V、3.3V、5V等。

IO口数量：根据你的应用需求确定所需的IO口数量。有些IO扩展芯片提供8个、16个或更多的IO口。

IO口类型：考虑你需要的IO口类型，如准双向口、开漏输出等。准双向口既可以作为输入也可以作为输出，而开漏输出则可以用于驱动LED等外部设备。

通信接口：确保IO扩展芯片支持你的主控制器所使用的通信接口，如I²C、SPI等。I²C接口通常使用两根线（SDA和SCL）进行通信，具有简单易用、支持多设备连接等优点。

中断功能：如果你的应用需要实时监测外部设备状态的变化，那么选择具有中断功能的IO扩展芯片将非常有用。当中断引脚被触发时，主控制器可以立即响应并处理相应的事件。

封装和尺寸：根据你的应用需求和电路板空间限制选择合适的封装和尺寸。常见的封装类型包括TSSOP、QFN、SSOP等，尺寸范围也有所不同。

工作温度和功耗：考虑你的应用所在的环境温度和功耗要求。选择具有适当工作温度和低功耗的IO扩展芯片将有助于提高系统的稳定性和可靠性。

其他特性：根据你的应用需求，还可以考虑其他特性，如驱动能力（最大输出电流）、输入/输出电平范围、可编程性（是否支持通过编程来配置IO口）等。

IIC I/O扩展芯片的厂商

NXP Semiconductors（恩智浦半导体）：NXP是全球领先的半导体公司之一，提供广泛的IIC IO扩展芯片产品。其产品线包括PCF8574、PCA9555等，这些芯片具有高性能、低功耗和易用性等特点，广泛应用于各种领域。

Microchip Technology（微芯科技）：Microchip是一家专注于嵌入式控制和混合信号半导体解决方案的供应商。其IIC IO扩展芯片产品包括MCP23017、MCP23S17等，这些芯片具有高集成度、高可靠性和低功耗等特点，适用于工业自动化、消费电子和汽车电子等领域。

Texas Instruments（德州仪器）：德州仪器是一家全球性的半导体设计和制造公司，其IIC IO扩展芯片产品包括TPS2113、TPS2296等。这些芯片具有高性能、高精度和低功耗等特点，广泛应用于电源管理、电机控制和工业自动化等领域。

STMicroelectronics（意法半导体）：意法半导体是一家全球领先的半导体公司，提供广泛的IIC IO扩展芯片产品。其产品线包括VLSI Solution的82C55A等，这些芯片具有高速、高可靠性和低功耗等特点，适用于各种嵌入式系统和工业自动化应用。

此外，还有其他一些厂商也提供IIC IO扩展芯片产品，如Maxim Integrated、Renesas Electronics等。在选择IIC IO扩展芯片时，需要根据具体的应用需求和性能要求来选择合适的厂商和产品。国内也有一些知名的IIC（实际上是I²C，即Inter-Integrated Circuit）IO扩展芯片厂商，以下是一些例子：

中微爱芯：作为中国领先的半导体公司之一，中微爱芯专注于消费电子芯片和小家电芯片的研发。他们的产品可能包括IIC IO扩展芯片，但具体型号和规格可能需要查询其官方渠道。

紫光展锐：紫光展锐是中国集成电路设计和解决方案供应商，他们在移动通信、数字多媒体等领域积累了丰富的经验。虽然他们主要以手机芯片闻名，但他们的产品线可能也涵盖IIC IO扩展芯片。

华大半导体：华大半导体是中国电子信息产业集团有限公司（CEC）旗下的核心企业，是中国“909”工程集成电路项目的重点承担单位。他们提供多种类型的半导体产品，包括可能包含IIC IO扩展芯片的产品。

03

IIC I/O扩展芯片的硬件设计方案

本文主要采用了信路达的XL9535做为驱动芯片。

1、XL9535概述

XL9535是一款24引脚CMOS器件，通过I²C总线/SMBus接口 串行时钟线（SCL）、串行数据（SDA）为大多数微控制器系列提供16位通用并行输入/输出（GPIO）扩展。这些设备设计用于2.3-V至5.5-V Vcc操作。这些改进包括更高的驱动能力、5V I/O容差、更低的电源电流、单独的I/O配置和更小的封装。 通电时，I/O被配置为输入。系统主机可以通过写入I/O配置位来启用I/O作为输入或输出。每个输入或输出的数据都保存在相应的输入或输出寄存器中。输入端口寄存器的极性可以用极性反转寄存器反转。所有寄存器均可由系统主控器读取。 当任何输入状态与其对应的输入端口寄存器状态不同时，这些设备开漏中断（/INT）输出被激活，并用于向系统主机指示输入状态已改变。在超时或其他不当操作的情况下，系统主设备可以利用上电重置功能重置这些设备。通电重置将寄存器设置为默认值，并初始化I²C/SMBus状态机。三个硬件引脚（A0、A1和A2）改变固定的I²C总线地址，并允许多达八个设备共享同一I²C总线/SMBus。

2、 XL9535特性

I²C总线至16位GPIO扩展器

工作电源电压范围为2.3 V至5.5 V

低待机电流消耗

5 V容错I/O端口

400 kHz快速模式I²C总线时钟频率

SCL/SDA输入上的噪声滤波器

内部通电复位

通电时无故障

极性反转寄存器

开漏有源低中断输出

16个I/O引脚，默认为16个输入

3、XL9535引脚配置和功能

4、XL9535功能框图和参考设计

04

IIC I/O扩展芯片的软件设计方案

本文采用了奇迹物联的红豆版开源技术平台为主控单元，一步步手把手教会读者如何使用红豆版开源平台编写XL9535驱动。这里对代码就不多详解，如果需要详细了解，请到奇迹物联的红豆版开源平台了解详细代码讲解。

1 Gitee链接地址

Demo位于amaziot_bloom_os_sdksample3rd1.0_XL9535

Gitee源码地址：https://gitee.com/ning./hongdou

Github源码地址：https://github.com/ayumid/hongdou

编译指令：.build.bat -l .amaziot_bloom_os_sdksample3rd1.0_XL9535

2 组件功能介绍

驱动XL9535芯片，实现输入IO检测。

3 代码讲解

1 drv_xl9535_i2c_init

功能：该函数用于，将发送数据长度写入xl9535寄存器。

参数：五

返回值：无

示例：

//初始化i2c总线
ret = drv_xl9535_i2c_init();

2 drv_xl9535_i2c_read

功能：该函数用于，读取I2C从机。

参数：五

返回值：无

示例：

RegAddr       = 0x00;
ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 00 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);

3 drv_xl9535_i2c_write

功能：该函数用于，发送数据到I2C从机。

参数：五

返回值：无

示例：

RegAddr       = 0x06;
RegWriteValue = 0xFF;
ret = drv_xl9535_i2c_write(&RegAddr, &RegReadValue0);
sample_xl9535_catstudio_printf("write i2c value=0x%x, ret=%dn", RegWriteValue, ret);

4 Demo实战

4.1 概述

上电后，按下按键，串口会打印出按下了哪一个按键

4.2 测试

测试步骤：

参考编译教程，和文档开头的编译指令，进行编译

按照编译教程选择对应的选项

烧录

4.3 宏定义介绍

sample_xl9535_uart_printf

输出日志到DEBUG 串口，日志比较少，可以输出到这个串口，如果日志比较多，需要输出到usb口，以免不必要的问题出现

sample_xl9535_catstudio_printf

输出日志到USB 串口，使用catstudio查看，catstudio查看日志需要更新对应版本mdb.txt文件，软件打开filtter过滤日志，只查看用户输出的日志

SAMPLE_XL9535_STACK_SIZE

栈空间宏定义

4.4 全局变量介绍

sample_xl9535_int_detect_stack_ptr

任务栈空间，本例使用数组实现，用户在做项目时，可以预先估算下当先任务需要的大致栈空间，OS没有提供可以查看栈空间使用情况的API

sample_xl9535_int_detect_task_ref

任务指针

4.5 函数介绍

Phase1Inits_enter

底层初始化，本例空

Phase1Inits_exit

底层初始化，本例空

Phase2Inits_enter

底层初始化，本例空

Phase2Inits_exit

创建主任务，初始化INT 引脚

代码片段：

int ret = 0;
GPIOConfiguration config = {0};

//创建定时器
OSATimerCreate(&sample_xl9535_int_detect_timer_ref);
//创建中断事件
OSAFlagCreate( &sample_xl9535_int_detect_flg_ref);  
Os_Create_HISR(&sample_xl9535_int_detect_hisr, "sample_xl9535_int_detect_hisr", sample_xl9535_detect_handler, 2);
//创建中断处理任务
OSATaskCreate(&sample_xl9535_int_detect_task_ref, sample_xl9535_int_detect_stack_ptr, SAMPLE_XL9535_STACK_SIZE, 100, "detect_task", sample_xl9535_detect_task, NULL);

//初始化int引脚，这里使用70脚 gpio126
config.pinDir = GPIO_IN_PIN;
config.pinEd = GPIO_RISE_EDGE;
config.pinPull = GPIO_PULLUP_ENABLE;
config.isr = sample_xl9535_irq_handler;
GpioInitConfiguration(SAMPLE_GPIO_ISR_PIN_NUM, config);

sample_xl9535_detect_task

主任务，代码发分为两部分，一部分是发送不定长数据；另一部分是上电后等待其它模块发送的数据，收到后打印到串口。

代码片段：

void sample_xl9535_detect_task(void *param)
{
    GPIO_ReturnCode ret = 0;
    UINT32 value = 0;
    OSA_STATUS status = OS_SUCCESS;
    UINT32 flag_value = 0;
    unsigned char RegAddr = 0;
    unsigned char RegWriteValue = 0;
    unsigned char RegReadValue0 = 0;
    unsigned char RegReadValue1 = 0;
    UINT8 down_en = 0;
    UINT8 up_en = 0;
    UINT8 sig_en = 0;
    UINT8 mul_en = 0;
    UINT8 read_en = 0;
    UINT8 de_en = 0;
    UINT8 ck_en = 0;
    UINT8 sim_en = 0;
    UINT8 gnss_en = 0;
    UINT8 nb_en = 0;
    UINT8 fourg_en = 0;

    //初始化i2c总线
    ret = drv_xl9535_i2c_init();
    sample_xl9535_catstudio_printf("ql_i2c_init ret %d", ret);

    //上电后，读xl9535 io扩展芯片的8个寄存器，测试用
    RegAddr       = 0x00;
    ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 00 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);
    RegAddr       = 0x01;
    ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 01 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);
    RegAddr       = 0x02;
    ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 02 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);
    RegAddr       = 0x03;
    ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 03 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);
    RegAddr       = 0x04;
    ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 04 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);
    RegAddr       = 0x05;
    ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 05 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);
    RegAddr       = 0x06;
    ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 06 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);
    RegAddr       = 0x07;
    ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 07 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);

    //等1s
    OSATaskSleep(1 * 200);

    //初始化xl0535 io扩展芯片的06 07寄存器，设置所有的io都是输入
    RegAddr       = 0x06;
    RegWriteValue = 0xFF;
    ret = drv_xl9535_i2c_write(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("write i2c value=0x%x, ret=%dn", RegWriteValue, ret);
    RegAddr       = 0x07;
    RegWriteValue = 0xFF;
    ret = drv_xl9535_i2c_write(&RegAddr, &RegReadValue0);
    sample_xl9535_catstudio_printf("write i2c value=0x%x, ret=%dn", RegWriteValue, ret);
    
    while(1)
    {
//        sample_xl9535_catstudio_printf("sample_xl9535_detect_taskrn");
        status = OSAFlagWait(sample_xl9535_int_detect_flg_ref, 0x01, OSA_FLAG_OR_CLEAR, &flag_value, OSA_SUSPEND);

        //红豆版，设置了边沿，但是还是会上升沿，下降沿都触发，所以会执行两次
        if(flag_value & 0x01)
        {
            RegAddr       = 0x00;
            //ret = ql_i2c_read(i2c_no, SAMPLE_I2C_SLAVE_ADDR, RegAddr, &RegReadValue0, 1);
            ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue0);
//            sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 00 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue0, ret);
            RegAddr       = 0x01;
            //ret = ql_i2c_read(i2c_no, SAMPLE_I2C_SLAVE_ADDR, RegAddr, &RegReadValue0, 1);
            ret = drv_xl9535_i2c_read(&RegAddr, &RegReadValue1);
//            sample_xl9535_catstudio_printf("read reg 01 i2c value=0x%x, ret=%dn", RegReadValue1, ret);

            //寄存器值非默认值，表示有io输入，否则表示是上升沿中断
            if(RegReadValue0 != 0xff || RegReadValue1 != 0x07)
            {
                event_ticks = OSAGetTicks();
                int_status = 0;

                //判断是那个IO这里使用寄存器值判断，后续可以改为根据位判断
                if(RegReadValue1 == DRV_XL9535_BUTTON_DOWN_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("down int");
                    down_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue1 == DRV_XL9535_BUTTON_UP_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("up int");
                    up_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue1 == DRV_XL9535_BUTTON_SIG_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("sig int");
                    sig_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue0 == DRV_XL9535_BUTTON_MUL_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("mul int");
                    mul_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue0 == DRV_XL9535_BUTTON_READ_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("read int");
                    read_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue0 == DRV_XL9535_BUTTON_DE_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("de int");
                    de_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue0 == DRV_XL9535_BUTTON_CK_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("ck int");
                    ck_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue0 == DRV_XL9535_BUTTON_SIM_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("sim int");
                    sim_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue0 == DRV_XL9535_BUTTON_GNSS_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("gnss int");
                    gnss_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue0 == DRV_XL9535_BUTTON_NB_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("nb int");
                    nb_en = 1;
                }
                else if(RegReadValue0 == DRV_XL9535_BUTTON_4G_EN)
                {
//                    sample_xl9535_catstudio_printf("4g int");
                    fourg_en = 1;
                }
            }
            else
            {
                if(int_status == 0)
                {
                    UINT32 keep_ticks = OSAGetTicks() - event_ticks;
                    
                    if(keep_ticks > 20)
                    {
                        //检测到某个IO被按下后，可以在这里，或者发送信号，消息等去其它任务执行相应操作
//                        sample_xl9535_catstudio_printf("keep_ticks:%d, event_ticks:%d", keep_ticks, event_ticks);
                        if(down_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("down en");
                        }
                        else if(up_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("up en");
                        }
                        else if(sig_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("sig en");
                        }
                        else if(mul_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("mul en");
                        }
                        else if(read_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("read en");
                        }
                        else if(de_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("de en");
                        }
                        else if(ck_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("ck en");
                        }
                        else if(sim_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("sim en");
                        }
                        else if(gnss_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("gnss en");
                        }
                        else if(nb_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("nb en");
                        }
                        else if(fourg_en == 1)
                        {
                            sample_xl9535_catstudio_printf("4g en");
                        }
                    }
                    down_en = 0;
                    up_en = 0;
                    sig_en = 0;
                    mul_en = 0;
                    read_en = 0;
                    de_en = 0;
                    ck_en = 0;
                    sim_en = 0;
                    gnss_en = 0;
                    nb_en = 0;
                    fourg_en = 0;
                }
                int_status = 1;
            }
            
        }
    }
}

4.6 固件

上电后，按下按键，串口会打印出按下了哪一个按键

点击下载 Lora Demo固件

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审核编辑 黄宇