01

物聯網系統中為什么要使用IIC I/O擴展芯片

在物聯網系統中使用IIC（也稱為I2C）I/O擴展芯片的原因主要可以歸結為以下幾點：

1、擴大I/O端口數量

硬件資源限制：許多微控制器（MCU）自帶的I/O端口數量有限，但物聯網項目往往需要連接大量的傳感器、執行器和其他外設。I2C I/O擴展芯片能夠通過I2C接口提供額外的I/O端口，從而滿足項目需求。

靈活性：通過擴展芯片，設計者可以根據項目需求靈活增加或減少外設連接，而無需更換主控制器。

2、簡化布線和連接

減少引腳需求：I2C總線僅需要兩根線（SCL時鐘線和SDA數據線）即可實現多個設備之間的通信，這大大減少了系統布線的復雜性和成本。

便于管理：通過I2C總線連接的設備可以使用統一的通信協議進行通信，簡化了系統的維護和管理工作。

3、提高系統性能

高效通信：I2C協議具有高效的通信機制，能夠支持高速數據傳輸，提高系統的整體性能。

時鐘控制：I2C I/O擴展芯片可以控制外部設備的時鐘，有助于優化系統的時序控制，提高系統的穩定性和可靠性。

4、降低成本和功耗

減少元件數量：使用I2C I/O擴展芯片可以減少系統中其他類型擴展元件的使用，從而降低整體成本。

低功耗：I2C總線支持低功耗模式，有助于降低系統的整體功耗，延長電池壽命（在便攜式或無線物聯網設備中尤為重要）。

5、廣泛應用場景

傳感器網絡：在物聯網系統中，傳感器是不可或缺的組成部分。I2C I/O擴展芯片可以方便地連接各種類型的傳感器（如溫度、濕度、加速度計等），實現數據的采集和傳輸。

工業自動化：在工業自動化領域，PLC等控制系統需要與大量外設進行通信。I2C I/O擴展芯片能夠滿足這一需求，提高工業自動化系統的集成度和可靠性。

智能家居：智能家居系統需要連接和控制各種智能家電和設備。I2C I/O擴展芯片可以擴展智能家居系統的控制能力，實現更多樣化的功能。

工業自動化和控制：在工業自動化系統中，經常需要連接和控制大量的傳感器、執行器和其他設備。IIC IO擴展芯片可以提供更多的IO端口，以便與這些設備進行通信和控制。例如，它們可以用于讀取傳感器的數據、控制執行器的動作或與其他工業設備進行交互。

消費電子產品：在消費電子產品中，如智能家居設備、智能音箱、智能手環等，IIC IO擴展芯片也發揮著重要作用。它們可以用于擴展設備的IO接口，以便連接更多的外部設備或傳感器。例如，智能音箱可以通過IIC IO擴展芯片連接更多的麥克風或揚聲器，提高音頻處理的性能和質量。

嵌入式系統：在嵌入式系統中，由于資源限制和成本考慮，微控制器的IO端口數量往往有限。IIC IO擴展芯片可以有效地解決這個問題，為嵌入式系統提供額外的IO端口。這些端口可以用于連接外部設備、擴展系統功能或實現與其他系統的通信。

測試與測量設備：在測試和測量領域，IIC IO擴展芯片可以用于連接各種測試設備和傳感器。通過擴展IO端口，測試設備可以獲取更多的數據輸入，提高測試的準確性和效率。同時，IIC IO擴展芯片還可以用于控制測試過程中的各種設備和參數。

醫療設備：在醫療設備中，IIC IO擴展芯片可以用于連接各種醫療傳感器和執行器。例如，在監護儀中，IIC IO擴展芯片可以連接多個生命體征傳感器，實時監測患者的血壓、心率等生理參數。在醫療機器人中，IIC IO擴展芯片可以控制機器人的運動和操作。

綜上所述，IIC（I2C）I/O擴展芯片在物聯網系統中扮演著重要角色，它們通過提供額外的I/O端口、簡化布線和連接、提高系統性能、降低成本和功耗以及支持廣泛應用場景等方式，為物聯網系統的設計和實現帶來了諸多便利和優勢。

02

IIC I/O擴展芯片的行業知識介紹

IIC I/O擴展芯片定義

IIc接口IO擴展芯片是一種可以為電子設備添加輸入輸出功能的集成電路，它可以有效提高設備的性能。

IIC 原理

I2C通信協議：I2C是一種串行通信協議，用于連接微控制器及其外圍設備。它只需要兩根線（SDA數據線和SCL時鐘線）即可實現全雙工通信，同時還可以連接多個設備到同一總線上。

設備尋址：每個I2C設備都有一個唯一的地址，主控制器通過發送設備的地址來選中并與之通信。I2C擴展IO芯片也具備一個或多個可設置的地址，以便主控制器能夠識別并與之通信。

數據傳輸：在選中特定的I2C設備后，主控制器可以通過I2C總線發送數據到該設備，或者從該設備讀取數據。對于I2C擴展IO芯片，主控制器可以發送命令來設置或讀取IO端口的電平狀態，從而實現對外圍設備的控制或監測。

中斷機制：許多I2C擴展IO芯片還具備中斷功能。當IO端口的電平狀態發生變化時，芯片可以產生一個中斷信號，通知主控制器進行相應的處理。這樣，主控制器可以更加高效地響應外部事件，而無需持續輪詢IO端口的狀態。

內部寄存器：I2C擴展IO芯片內部通常包含多個寄存器，用于存儲IO端口的配置信息、數據等。主控制器可以通過I2C總線訪問這些寄存器，以實現對IO端口的控制和管理。

IIC I/O擴展芯片的參數選型

電源電壓：確保你的系統電源電壓與IO擴展芯片的電源電壓兼容。常見的電源電壓范圍包括1.8V、3.3V、5V等。

IO口數量：根據你的應用需求確定所需的IO口數量。有些IO擴展芯片提供8個、16個或更多的IO口。

IO口類型：考慮你需要的IO口類型，如準雙向口、開漏輸出等。準雙向口既可以作為輸入也可以作為輸出，而開漏輸出則可以用于驅動LED等外部設備。

通信接口：確保IO擴展芯片支持你的主控制器所使用的通信接口，如I2C、SPI等。I2C接口通常使用兩根線（SDA和SCL）進行通信，具有簡單易用、支持多設備連接等優點。

中斷功能：如果你的應用需要實時監測外部設備狀態的變化，那么選擇具有中斷功能的IO擴展芯片將非常有用。當中斷引腳被觸發時，主控制器可以立即響應并處理相應的事件。

封裝和尺寸：根據你的應用需求和電路板空間限制選擇合適的封裝和尺寸。常見的封裝類型包括TSSOP、QFN、SSOP等，尺寸范圍也有所不同。

工作溫度和功耗：考慮你的應用所在的環境溫度和功耗要求。選擇具有適當工作溫度和低功耗的IO擴展芯片將有助于提高系統的穩定性和可靠性。

其他特性：根據你的應用需求，還可以考慮其他特性，如驅動能力（最大輸出電流）、輸入/輸出電平范圍、可編程性（是否支持通過編程來配置IO口）等。

IIC I/O擴展芯片的廠商

NXP Semiconductors（恩智浦半導體）：NXP是全球領先的半導體公司之一，提供廣泛的IIC IO擴展芯片產品。其產品線包括PCF8574、PCA9555等，這些芯片具有高性能、低功耗和易用性等特點，廣泛應用于各種領域。

Microchip Technology（微芯科技）：Microchip是一家專注于嵌入式控制和混合信號半導體解決方案的供應商。其IIC IO擴展芯片產品包括MCP23017、MCP23S17等，這些芯片具有高集成度、高可靠性和低功耗等特點，適用于工業自動化、消費電子和汽車電子等領域。

Texas Instruments（德州儀器）：德州儀器是一家全球性的半導體設計和制造公司，其IIC IO擴展芯片產品包括TPS2113、TPS2296等。這些芯片具有高性能、高精度和低功耗等特點，廣泛應用于電源管理、電機控制和工業自動化等領域。

STMicroelectronics（意法半導體）：意法半導體是一家全球領先的半導體公司，提供廣泛的IIC IO擴展芯片產品。其產品線包括VLSI Solution的82C55A等，這些芯片具有高速、高可靠性和低功耗等特點，適用于各種嵌入式系統和工業自動化應用。

此外，還有其他一些廠商也提供IIC IO擴展芯片產品，如Maxim Integrated、Renesas Electronics等。在選擇IIC IO擴展芯片時，需要根據具體的應用需求和性能要求來選擇合適的廠商和產品。國內也有一些知名的IIC（實際上是I2C，即Inter-Integrated Circuit）IO擴展芯片廠商，以下是一些例子：

中微愛芯：作為中國領先的半導體公司之一，中微愛芯專注于消費電子芯片和小家電芯片的研發。他們的產品可能包括IIC IO擴展芯片，但具體型號和規格可能需要查詢其官方渠道。

紫光展銳：紫光展銳是中國集成電路設計和解決方案供應商，他們在移動通信、數字多媒體等領域積累了豐富的經驗。雖然他們主要以手機芯片聞名，但他們的產品線可能也涵蓋IIC IO擴展芯片。

華大半導體：華大半導體是中國電子信息產業集團有限公司（CEC）旗下的核心企業，是中國“909”工程集成電路項目的重點承擔單位。他們提供多種類型的半導體產品，包括可能包含IIC IO擴展芯片的產品。

03

IIC I/O擴展芯片的硬件設計方案

本文主要采用了信路達的XL9535做為驅動芯片。

1、XL9535概述

XL9535是一款24引腳CMOS器件，通過I2C總線/SMBus接口 串行時鐘線（SCL）、串行數據（SDA）為大多數微控制器系列提供16位通用并行輸入/輸出（GPIO）擴展。這些設備設計用于2.3-V至5.5-V Vcc操作。這些改進包括更高的驅動能力、5V I/O容差、更低的電源電流、單獨的I/O配置和更小的封裝。 通電時，I/O被配置為輸入。系統主機可以通過寫入I/O配置位來啟用I/O作為輸入或輸出。每個輸入或輸出的數據都保存在相應的輸入或輸出寄存器中。輸入端口寄存器的極性可以用極性反轉寄存器反轉。所有寄存器均可由系統主控器讀取。 當任何輸入狀態與其對應的輸入端口寄存器狀態不同時，這些設備開漏中斷（/INT）輸出被激活，并用于向系統主機指示輸入狀態已改變。在超時或其他不當操作的情況下，系統主設備可以利用上電重置功能重置這些設備。通電重置將寄存器設置為默認值，并初始化I2C/SMBus狀態機。三個硬件引腳（A0、A1和A2）改變固定的I2C總線地址，并允許多達八個設備共享同一I2C總線/SMBus。

2、 XL9535特性

I2C總線至16位GPIO擴展器

工作電源電壓范圍為2.3 V至5.5 V

低待機電流消耗

5 V容錯I/O端口

400 kHz快速模式I2C總線時鐘頻率

SCL/SDA輸入上的噪聲濾波器

內部通電復位

通電時無故障

極性反轉寄存器

開漏有源低中斷輸出

16個I/O引腳，默認為16個輸入

3、XL9535引腳配置和功能

4、XL9535功能框圖和參考設計

04

IIC I/O擴展芯片的軟件設計方案

本文采用了奇跡物聯的紅豆版開源技術平臺為主控單元，一步步手把手教會讀者如何使用紅豆版開源平臺編寫XL9535驅動。這里對代碼就不多詳解，如果需要詳細了解，請到奇跡物聯的紅豆版開源平臺了解詳細代碼講解。

1 Gitee鏈接地址

Demo位于amaziot_bloom_os_sdksample3rd1.0_XL9535

Gitee源碼地址：https://gitee.com/ning./hongdou

Github源碼地址：https://github.com/ayumid/hongdou

編譯指令：.build.bat -l .amaziot_bloom_os_sdksample3rd1.0_XL9535

2 組件功能介紹

驅動XL9535芯片，實現輸入IO檢測。

3 代碼講解

1 drv_xl9535_i2c_init

功能：該函數用于，將發送數據長度寫入xl9535寄存器。

參數：五

返回值：無

示例：

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

2 drv_xl9535_i2c_read

功能：該函數用于，讀取I2C從機。

參數：五

返回值：無

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：該函數用于，發送數據到I2C從機。

參數：五

返回值：無

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實戰

4.1 概述

上電后，按下按鍵，串口會打印出按下了哪一個按鍵

4.2 測試

測試步驟：

參考編譯教程，和文檔開頭的編譯指令，進行編譯

按照編譯教程選擇對應的選項

燒錄

4.3 宏定義介紹

sample_xl9535_uart_printf

輸出日志到DEBUG 串口，日志比較少，可以輸出到這個串口，如果日志比較多，需要輸出到usb口，以免不必要的問題出現

sample_xl9535_catstudio_printf

輸出日志到USB 串口，使用catstudio查看，catstudio查看日志需要更新對應版本mdb.txt文件，軟件打開filtter過濾日志，只查看用戶輸出的日志

SAMPLE_XL9535_STACK_SIZE

棧空間宏定義

4.4 全局變量介紹

sample_xl9535_int_detect_stack_ptr

任務?？臻g，本例使用數組實現，用戶在做項目時，可以預先估算下當先任務需要的大致棧空間，OS沒有提供可以查看?？臻g使用情況的API

sample_xl9535_int_detect_task_ref

任務指針

4.5 函數介紹

Phase1Inits_enter

底層初始化，本例空

Phase1Inits_exit

底層初始化，本例空

Phase2Inits_enter

底層初始化，本例空

Phase2Inits_exit

創建主任務，初始化INT 引腳

代碼片段：

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

//創建定時器
OSATimerCreate(&sample_xl9535_int_detect_timer_ref);
//創建中斷事件
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);
//創建中斷處理任務
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引腳，這里使用70腳 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

主任務，代碼發分為兩部分，一部分是發送不定長數據；另一部分是上電后等待其它模塊發送的數據，收到后打印到串口。

代碼片段：

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總線
    ret = drv_xl9535_i2c_init();
    sample_xl9535_catstudio_printf("ql_i2c_init ret %d", ret);

    //上電后，讀xl9535 io擴展芯片的8個寄存器，測試用
    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擴展芯片的06 07寄存器，設置所有的io都是輸入
    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);

        //紅豆版，設置了邊沿，但是還是會上升沿，下降沿都觸發，所以會執行兩次
        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);

            //寄存器值非默認值，表示有io輸入，否則表示是上升沿中斷
            if(RegReadValue0 != 0xff || RegReadValue1 != 0x07)
            {
                event_ticks = OSAGetTicks();
                int_status = 0;

                //判斷是那個IO這里使用寄存器值判斷，后續可以改為根據位判斷
                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)
                    {
                        //檢測到某個IO被按下后，可以在這里，或者發送信號，消息等去其它任務執行相應操作
//                        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

上電后，按下按鍵，串口會打印出按下了哪一個按鍵

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審核編輯 黃宇