普中51-单核-A2
STC89C52
MSP430G2553 Launchpad 扩展板
Keil uVision V5.29.0.0
PK51 Prof.Developers Kit Version:9.60.0.0
上位机：Vofa+ 1.3.10

---

       摘自《Launchpad口袋实验平台（指导书）》、《AY-G2PL KIT_用户手册》

硬知识

       对于低速的 IO，可以通过串行转并行的方法扩展。1 片 I2C 接口控制的 IO 扩展芯片 TCA6416A可为 单片机额外扩展出 16 个双向 IO。
       扩展输出口的方法其实就是将串行数据转为并行数据输出，串入并出移位寄存器加一个锁存器就可以将串行转并行输出（也就是扩展了 IO 口），比如 74 系列通用数字逻辑器件74HC595，可以任意级联扩展输出口。
       串行转并行的代价就是速度会变慢，理论上，1 串转 16 并输出，速度至少要降 16 倍。假如普通 IO 翻转电平的速度是 1MHz，转 16 并输出后，速度将降为 62.5kHz。这个速度对于很多应用已绰绰有余，比如和人有关的输入输出设备（键盘、段式 LCD/LED 驱动、点阵LCD/LED 驱动等）。
       扩展输入口的方法类似，只不过使用的是并入串出的移位寄存器。

IO 扩展芯片 TCA6416A

       类似 74HC595 的串并转换芯片虽然廉价，但是它只能扩展输出口，不能同时扩展出双向IO 口。而TCA6416A则是基于 I2C 控制的双向 IO 扩展芯片。

1. TCA6416A 可以扩展出 16 个双向 IO 口，为了与单片机原生的 IO 区别，图中TCA6416A 扩展出的 IO 标注为 IO00-IO07，IO10-IO17。
2. ADDR 引脚是 I2C 设备的地址引脚，通过接地或 VCC 可设置为两个不同的地址，换句话说，1 组 I2C 总线上可挂两片 TCA6416A（ADDR 引脚分别接地和接 VCC）。
3. /INT 引脚是专门为扩展输入引脚设计的，相当于单片机的外部中断。当扩展 IO 设为输入模式，且输入电平变化时，/INT 引脚便会触发下降沿中断，单片机的 IO 再去检测/INT 的下降沿，触发真正的单片机中断。单片机通过 I2C 协议查看 TCA6416A 的相关寄存器，便知晓是哪个 IO 被按下。
4. /RESET 引脚地位相当于单片机的复位引脚，为了节约单片机为数不多的 IO口，这里仿照单片机的上电复位电路用 R2 和 C6 给 TCA6416 也设计了上电复位电路。
5. SDA、SCL 和/INT 引脚必须外接上拉电阻（R31/32/33）。
6. 电源 VCC 和地 GND 之间接电容 C5（100nF，标柱为 104）进行去耦，起到“有病治病无病强身”的作用。

TAC6416A 的寄存器

       首先我们把 TCA6416A 扩展出的 16 个普通 IO 口，理解为成单片机的 P0 和 P1 口，CPU对 IO 口的读写实际上都是通过寄存器这个中介进行的。其次，参考图 12.3 的移位寄存器原理，扩展出的 IO 也是无法位操作的，读写都必须多位同时进行。TAC6416A 的寄存器设计其实很好理解，共 4 组寄存器，我们不妨先分析一下需要哪 4 组。

1. 需要 16 位的 Input Port Registers 来存储 16 个 IO 的输入状态，相当于单片机中的PxIN。
2. 需要 16 位的 Output Port Registers 来存储 16 个 IO 的输入状态，相当于单片机中的PxOUT。
3. 需要 16 位的 Configuration Registers 来存储 IO 的输入输出方向，相当于单片机中的PxDIR。
4. 需要 16 位的 Polarity Inversion Registers 来存储是否对 IO1/0 取反操作，这个功能在单片机中没有。

       CPU 对于 IO 口的操作有置 1，置 0 和取反三种，单片机可以通过先读出 IO 状态，再做异或逻辑的办法实现取反。但是在 TCA6416A 中，就必须先用 I2C 协议读 Input Port Registers ，CPU 运算后，再用 I2C 写 Output Port Registers ，这个时间非常长。所以TCA6416A 直接就集成了硬件 IO 电平翻转电路，相当于“复杂指令集”了一回。
       实际的 TCA6416A 寄存器，使用 TCA6416A 的过程就是配置这几个寄存器。

IO 输入寄存器

IO 输出寄存器

IO 反相寄存器

IO 方向寄存器

TCA6416A 的操作

TCA6416A 写数据

       对 TCA6416A 来说，可能要写 3 种数据，IO 输出电平寄存器，IO 方向寄存器，IO 电平极性翻转寄存器，3 个寄存器都影响实际的 IO 输出，所以这 3 者的地位是完全平等的，写的方法也一样。
       如图 12.9 所示为 TCA6416A 的写寄存器操作时序图。原说明书中将写 IO 与写寄存器分开画图，其实这完全没有必要，写 IO 的本质还是写寄存器。一次完整的写寄存器分 4 部分：

1. 从机地址：从机地址的前 6 位固定为 010000，为什么不定成 000000 呢？这是因为如果每种类型的 I2C 从机设备都从 000000 起始的话，那地址就区分不开了，所以每种 I2C 设备都会跳开一段地址赋值。第 7 位是真正的地址，只有两种可能。第 8 位用于表示读操作还是写操作。
2. 命令字：这 8 位实际就是选择写哪个寄存器。高 5 位固定，用低 3 位表示 8 种寄存器。
3. 寄存器 0：先写寄存器 0，高位在前，低位在后。
4. 寄存器 1：后写寄存器 1。

TCA6416A 读数据

       单片机在真正读 TCA6416A 数据前，需要写命令告诉 TCA6416A 是操作哪个寄存器。然后才是真正的读数据。写命令需要 2 字节，从机地址+命令。读数据需要 3 个字节，从机地址+低位数据+高位数据。

TCA6416A 的 IO 输入寄存器

       如图 12.11 所示为读 IO 输入寄存器的“读数据”操作时序图部分（即为图 12.10 的后半部分，不包括写命令部分）。为了把个各种异常情况下的现象都描述清楚，图 12.11 做的非常复杂。
       只需注意，图中 IO 电平共变化了 5 次，而实际被单片机读到的却是两次锁存 IO 电平时刻对应的数据 Data1 和数据 Data4。

       为了模拟普通 IO 的输入中断，TAC6416A 启用了一个类似的/INT 中断来提示输入 IO 有变化。但是由于 IO 输入的变化速度可能远高于读 IO 输入寄存器的速度，所以，TAC6416A的中断和单片机的 IO 外部中断还不太一样。输入 IO 的变化可以触发/INT 产生下降沿变成低电平，但是/INT 要等 I2C 的应答位才能恢复高电平（重新具备中断能力）。也就是说，TCA6416A 的/INT 中断无法响应快速变化的输入信号，当然我们也可以不用中断的方法判断IO 输入，定时扫描的方法同样适用于 TCA6416A。

硬件布局

如图所示，扩展出 16 个 IO 口中，8 个作为输出口用于控制 8 个 LED，4 个作为输
出口用于控制 LCD 驱动器（这个另行介绍），4 个作为输入口用于识别 4 个机械按键。

下图所示为 8 个 LED 以及 4 个机械按键在扩展板中的位置

示例程序

       stdint.h见【51单片机快速入门指南】1：基础知识和工程创建
       软件I2C程序见【51单片机快速入门指南】4： 软件 I2C

TCA6416A.c

/** TCA6416A.c**  Created on: 2013-4-6*      Author: Administrator*/
#include "./Software_I2C/Software_I2C.h"#define		TCA6416A_ADDR	0x20	/*从机TCA6416A的7位地址*///-----控制寄存器定义-----
#define		In_CMD0			0x00	//读取管脚输入状态寄存器；只读
#define		In_CMD1			0x01
#define		Out_CMD0		0x02	//控制管脚输出状态寄存器；R/W
#define		Out_CMD1		0x03
#define		PIVS_CMD0		0x04	//反向控制管脚输出状态寄存器；R/W
#define		PIVS_CMD1		0x05
#define		CFG_CMD0		0x06	//管脚方向控制：1：In；0:：Out。
#define		CFG_CMD1		0x07volatile unsigned int TCA6416A_InputBuffer=0;
unsigned char pinW0 = 0xff;						//用于缓存已写入相应管脚的状态信息，此操作避免读回TCA6416A中当前寄存器的值
unsigned char pinW1 = 0xff;						//用于缓存已写入相应管脚的状态信息，此操作避免读回TCA6416A中当前寄存器的值void Delay_ms(int i);/******************************************************************************************************* 名       称：TCA6416A_Init()******************************************************************************************************/
void TCA6416A_Init(void)
{unsigned char conf;Delay_ms(5);						//TCA6416的复位时间比单片机长，延迟确保可靠复位//----根据扩展板的引脚使用，将按键所在管脚初始化为输入，其余管脚初始化为输出conf = 0x00;						//  0 0 0 0_0 0 0 0  （LED0~LED7）i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, CFG_CMD0, &conf, 1);	conf = 0x0f;						//  0 0 0 0_1 1 1 1 (按键)i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, CFG_CMD1, &conf, 1);	//----上电先将管脚输出为高（此操作对输入管脚无效）conf = 0xff;						// 某位置1，输出为高，0为低i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &conf, 1);conf = 0xff;						i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &conf, 1);
}/******************************************************************************************************* 名       称：PinOUT()******************************************************************************************************/
void PinOUT(unsigned char pin,unsigned char status)
{if(pin<=7)												//所选管脚为pin0~pin7 ，刷新所要操作的输出缓存pinW0 状态{if(status == 0)pinW0 &= ~(1<<pin);elsepinW0 |= 1<<pin;			i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &pinW0, 1);	// 将更新后的数据包，写入芯片寄存器}else if(pin>=10 && pin<=17)								//所选管脚为pin10~pin17 ，刷新所要操作的输出缓存pinW1 状态{if(status == 0)pinW1 &= ~(1<<(pin%10));elsepinW1 |= 1<<(pin%10);i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &pinW1, 1);	// 将更新后的数据包，写入芯片寄存器}
}/******************************************************************************************************* 名       称：PinIN()******************************************************************************************************/
unsigned char PinIN(unsigned char pin)
{unsigned char temp[2];i2c_mem_read(TCA6416A_ADDR, In_CMD0, temp, 2);					// 读取按键所在管脚信息TCA6416A_InputBuffer = (((unsigned int)temp[1])<<8)|temp[0];if(pin<=7)												{if(temp[0] & (1<<pin))return 1;elsereturn 0;}else if(pin>=10 && pin<=17)							{if(temp[1] & (1<<(pin%10)))return 1;elsereturn 0;}
}/******************************************************************************************************* 名       称：PinToggle()******************************************************************************************************/
void PinToggle(unsigned char pin)
{unsigned char status;if(pin<=7)												//所选管脚为pin0~pin7 ，刷新所要操作的输出缓存pinW0 状态{status = !(pinW0 & (1<<pin));if(status)pinW0 |= 1<<pin;elsepinW0 &= ~(1<<pin);i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD0, &pinW0, 1);	// 将更新后的数据包，写入芯片寄存器}else if(pin>=10 && pin<=17)								//所选管脚为pin10~pin17 ，刷新所要操作的输出缓存pinW1 状态{status = !(pinW1 & (1<<(pin%10)));if(status)pinW1 |= 1<<(pin%10);elsepinW1 &= ~(1<<(pin%10));i2c_mem_write(TCA6416A_ADDR, Out_CMD1, &pinW1, 1);	// 将更新后的数据包，写入芯片寄存器}
}

TCA6416A.h

/** TCA6416A.h**  Created on: 2013-4-6*      Author: Administrator*/#ifndef TCA6416A_H_
#define TCA6416A_H_extern unsigned char PinIN(unsigned char pin);
extern void PinOUT(unsigned char pin,unsigned char status);
extern void PinToggle(unsigned char pin);
extern void TCA6416A_Init();
extern volatile unsigned int TCA6416A_InputBuffer;#endif /* TCA6416A_H_ */

测试程序

一个LED闪烁，另一个LED由KEY控制翻转。

main.c

#include <STC89C5xRC.H>
#include "intrins.h"
#include "stdint.h"
#include "TCA6416A.h"void Delay1ms()		//@11.0592MHz
{unsigned char i, j;_nop_();i = 2;j = 199;do{while (--j);} while (--i);
}void Delay_ms(int i)
{while(i--)Delay1ms();
}void main(void)
{uint16_t delay_count = 0;TCA6416A_Init();while(1){	if(!PinIN(10)){Delay_ms(20);if(!PinIN(10)){PinToggle(1);while(!PinIN(10));}}if(++delay_count == 500){PinToggle(7);delay_count = 0;}Delay_ms(1);}
}

实验现象