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)地址及讀寫位、PCA9555 輸入/輸出與中斷相關(guān)寄存器的讀寫展開(kāi)適合作為 IIC 協(xié)議入門、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、上電初始化順序、讀寫單個(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。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讀寫設(shè)置 P0 口輸出鎖存值0x03輸出端口 1讀寫設(shè)置 P1 口輸出鎖存值0x04極性反轉(zhuǎn) 0讀寫翻轉(zhuǎn) P0 口輸入極性0x05極性反轉(zhuǎn) 1讀寫翻轉(zhuǎn) P1 口輸入極性0x06配置端口 0讀寫P0 方向1 為輸入0 為輸出0x07配置端口 1讀寫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配置寄存器就直接寫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)在寫操作后會(huì)自動(dòng)遞增也就是你寫 0x02輸出端口 0之后再連續(xù)寫一個(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)寫把兩個(gè)端口的值一起設(shè)好效率比兩次單字節(jié)寫高。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寫字節(jié) 0x42以此類推。這個(gè)換算是新手最容易翻車的地方數(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)一位讀寫位直接拿 0x20 當(dāng)寫地址發(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字/* PCA9555 7 位從機(jī)地址: A2 A1 A0 全接地 0x20 */ #define PCA9555_ADDR 0x20 /* 寫字節(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一次地址字節(jié)帶寫標(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)銷時(shí)序更平整。SDA 讀取用 IDR 直接取位。開(kāi)漏模式下即使寫 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)寫對(duì)了整個(gè)協(xié)議就成立寫錯(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 PCA9555 單個(gè)寄存器: reg 為命令字節(jié), val 為寫入值 */ 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配置寄存器把對(duì)應(yīng)位清 0再寫輸出寄存器設(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 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。如果嫌 6 次事務(wù)太多可以用連續(xù)寫先寫命令 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。這種寫法省時(shí)間但可讀性差一些新項(xiàng)目里我通常先按單寫跑通再優(yōu)化合并。4. 讀寫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。空閑不為高說(shuō)明上拉缺失或總線被短路。4.2 從機(jī)地址寫錯(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 寫輸出寄存器后引腳電壓不變化現(xiàn)象配置寄存器寫了 0x00 把端口 0 設(shè)為輸出再寫輸出寄存器 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)懛戳讼葘戄敵黾拇嫫髟賹懪渲眉拇嫫鲗懭胼敵黾拇嫫鞯乃查g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技巧5.1 用中斷引腳代替輪詢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覆蓋其他位直接對(duì)一個(gè)端口寫 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配置寄存器把端口 0 設(shè)為輸出再讀回來(lái)確認(rèn)寫入生效第四步在端口 0 交替寫 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