Arduino: расширители портов GPIO

Опубликовано 12/07/201817/07/2018 автором Валерий Яценков

Всем хороши недорогие платы Arduino, но так часто для проекта не хватает буквально одного-двух свободных портов! А иногда портов хватает, но не хочется тянуть к другой части конструкции пучок проводов. Допустим, на передней панели устройства надо разместить несколько кнопок и светодиодов. Надежнее и проще соединить их с основной платой всего двумя проводами шины данных, а не шлейфом или жгутом, не так ли?

Для таких ситуаций предназначены различные расширители (экспандеры) портов Arduino.

Обычно выводы микроконтроллера реализуют несколько различных функций, поэтому расширители бывают разные:

Расширитель стандартных портов ввода-вывода GPIO
Расширитель выходов ШИМ
Расширители аналоговых входов – мультиплексоры и внешние АЦП

Отдельно стоит упомянуть цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и расширители адресного пространства шины I2C. Эти устройства не дублируют функции портов напрямую, но расширяют возможности микроконтроллеров.

В первой статье цикла мы поговорим о самых простых и полезных экспандерах, которые работают в качестве цифровых портов ввода-вывода. Это микросхемы PCF8574 и PCF8575. Они устроены и работают абсолютно идентично, и различаются только количеством портов.

Выбираем модуль расширителя для Arduino

Самый популярный и недорогой модуль изготовлен на микросхеме PCF8574 (рис. 1)

Рис. 1. Популярный модуль расширителя портов PCF8574

Достоинства:

Низкая цена.
Модули можно соединять цепочкой, просто вставляя штекеры одного модуля в гнезда предыдущего. Не забудьте установить перемычками разные адреса модулей!

Недостатки:

Нельзя вставить прямо в макетную плату (рекомендую перепаять разъем портов на обратную сторону).
Всего восемь портов в одном модуле.

Если вы настроены на более серьезные проекты, закажите на Aliexpress 16-разрядный модуль на PCF8575. Настоятельно рекомендую именно модуль, изображенный на рис. 2.

Рис. 2. Модуль расширителя портов PCF8575

Достоинства:

Вдвое больше портов.
Встроенный источник питания на 3.3 вольта, можно питать другие модули.
Встроенное согласование логических уровней для шины I2C при разном напряжении питания.
Удобный формат для макетной платы.

Недостатки:

Выше цена.

Принцип работы расширителя портов GPIO PCF8574/PCF8575

Обмен данными происходит по шине I2C. Для подключения к плате Arduino требуется лишь четыре провода, включая питание. Адрес расширителя задается тремя перемычками на входах A0…A2, поэтому к шине можно одновременно подключить восемь одинаковых микросхем и получить максимум 8*8=64 дополнительных порта с PCF8574 или 8*16=128 с микросхемой PCF8575.

Чтобы вывести данные в порт, записывают байт данных по адресу модуля на шине I2C. Чтобы прочитать данные с порта, читают байт по этому же адресу. Байт всегда пишется и читается целиком, работа с отдельными разрядами происходит программно.

Выходы микросхемы одновременно являются входами, и никакого служебного регистра, определяющего назначение вывода, нет. Есть только регистр-защелка, в который записывают выходной байт. Как такое возможно?

Порты работают по схеме, аналогичной открытому коллектору и оснащены внутренними подтягивающими резисторами. Если в выход записан логический ноль, то открывается выходной транзистор, который принудительно тянет вывод «на землю». Чтение из такого порта всегда будет возвращать ноль.

Будьте осторожны – при подаче прямого напряжения питания на вывод с низким уровнем или при превышении допустимого тока 50 мА вы испортите микросхему!

Чтобы использовать порт как вход, запишите в него единицу. В этом случае внутренний транзистор будет закрыт, а результат чтения будет определяться внешним логическим уровнем, приложенным к выводу. Свободный вывод подтянут к питанию встроенным резистором.

Чтобы одновременно использовать часть портов как входы, а часть как выходы, перед каждой записью байта данных в экспандер необходимо при помощи операции «логическое ИЛИ» накладывать маску из единиц на те разряды, которые соответствуют входам. Вот и все)))

Генерация прерывания

Расширители портов PCF857* генерируют импульс прерывания низкого уровня на выходе INT при любом изменении входного сигнала на любом входе микросхемы. Это удобно, если расширитель обслуживает кнопочную панель. Но вы должны сами определить в обработчике прерывания, какая кнопка была нажата или отпущена. Генератор прерывания оснащен фильтром подавления дребезга контактов.

Пример 1. Использование модуля PCF8574

Соберем простую схему из четырех светодиодов, модуля PCF8574 и платы Arduino (рис. 3 и 4). При такой схеме включения нам даже не требуются гасящие резисторы для светодиодов. Ток протекает через светодиод и встроенный резистор, подключенный к шине питания.

Рис. 3. Схема подключения модуля PCF8574

Рис. 4. Макет схемы с модулем PCF8574

Скопируйте и запишите в плату Arduino скетч 1:

// Библиотека для работы с I2C
#include <Wire.h>

// Адрес модуля на шине (A0, A1, A2 = 0)
int address = 0x38;
// Данные, прочитанные из модуля
uint8_t dataReceive;
// Данные для записи в модуль
uint8_t dataSend;

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(9600);
  // Высокий уровень во все порты PCF8574
  dataSend = B11111111;
  pcf8574_write(dataSend);
}

void loop() {
  // Читаем байт из модуля
  dataReceive = pcf8574_read();
  // Выводим в монитор в двоичном формате
  Serial.println(dataReceive, BIN);
  // Сдвигаем биты влево на полубайт
  dataSend = dataReceive << 4;
  // Накладываем битовую маску 
  dataSend |= B00001111;
  // Записываем байт в модуль
  pcf8574_write(dataSend);
  delay(500);

}

// Процедура записи байта в модуль
void pcf8574_write(uint8_t dt) {
  Wire.beginTransmission(address);
  Wire.write(dt);
  Wire.endTransmission();
}

// Процедура чтения байта из модуля
int8_t pcf8574_read() {
  Wire.beginTransmission(address);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(address, 1);
  return (Wire.read());
}

// Библиотека для работы с I2C

#include <Wire.h>

// Адрес модуля на шине (A0, A1, A2 = 0)

int address = 0x38;

// Данные, прочитанные из модуля

uint8_t dataReceive;

// Данные для записи в модуль

uint8_t dataSend;

void setup() {

Wire.begin();

Serial.begin(9600);

// Высокий уровень во все порты PCF8574

dataSend = B11111111;

pcf8574_write(dataSend);

}

void loop() {

// Читаем байт из модуля

dataReceive = pcf8574_read();

// Выводим в монитор в двоичном формате

Serial.println(dataReceive, BIN);

// Сдвигаем биты влево на полубайт

dataSend = dataReceive << 4;

// Накладываем битовую маску

dataSend |= B00001111;

// Записываем байт в модуль

pcf8574_write(dataSend);

delay(500);

}

// Процедура записи байта в модуль

void pcf8574_write(uint8_t dt) {

Wire.beginTransmission(address);

Wire.write(dt);

Wire.endTransmission();

}

// Процедура чтения байта из модуля

int8_t pcf8574_read() {

Wire.beginTransmission(address);

Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(address, 1);

return (Wire.read());

}

Во все порты микросхемы изначально записывается высокий уровень, поэтому порты P0…P3 могут работать, как входы.

Уровни на выводах порта считываются каждые 500 мс и результат считывания выводится в монитор. Если вы соединяете один из входов P0…P3 с общим проводом, в его разряде появляется ноль. Затем считанное значение сдвигается влево на четыре бита, результат выводится в порт и гаснет один из светодиодов. Например, если прочитан ноль на выводе P0, то погаснет светодиод, подключенный к выводу P4.

Обратите внимание, что мы должны перед каждой записью в расширитель наложить битовую маску из единиц на все разряды, которые должны быть входами: dataSend |= B00001111;

Подпрограммы работы с шиной I2C предельно упрощены, никакие ошибки не обрабатываются.

Совет: для поиска и проверки адреса модуля на шине I2C можно использовать простой скетч. Он выводит в терминал адреса всех устройств, которые отвечают на запрос шины.

Пример 2. Использование модуля PCF8575

Особенность модуля PCF8575 состоит в том, что у него 16 портов, поэтому в него всегда записывают по два байта и читают по два байта. Это правило надо соблюдать, даже если второй байт не нужен.

Немного изменим схему. Светодиоды подключим к портам P10…P13, а соединять перемычкой с общим проводом будем порты P00…P03 (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Схема подключения модуля PCF8575

Рис. 6. Макет схемы с модулем PCF8575

В скетче 2 сначала записываются единицы во все порты, затем каждые 500 мс читается их состояние. Процедура чтения возвращает 16-разрядное слово, которое разделяется на байты. Содержимое младшего байта (выводы P00…P07) копируется в старший байт и выгружается обратно в модуль. Если соединить с общим проводом один из выводов P00…P03, то погаснет один из светодиодов, подключенных к P10…P13.

// Библиотека для работы с I2C
#include <Wire.h>

// Адрес модуля на шине по умолчанию
int address = 0x20;
// Данные, прочитанные из модуля
uint8_t hi, lo;
uint16_t dataReceive;
uint8_t dataHighByte; // Старший байт (P10...P17)
uint8_t dataLowByte; // Младший байт (P00...P07)

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(9600);
  // Высокий уровень во все порты PCF8575
  dataHighByte = B11111111;
  dataLowByte = B11111111;
  pcf8575_write(dataLowByte, dataHighByte);
}

void loop() {
  // Читаем байт из модуля
  dataReceive = pcf8575_read();
  // Выводим в монитор в двоичном формате
  Serial.println(dataReceive, BIN);
  // Выделяем младший байт из длинного слова
  dataLowByte = lowByte(dataReceive);
  // Копируем младший байт в старший байт
  dataHighByte = dataLowByte;
  // Накладываем маску на младший байт
  dataLowByte |= B11111111;

  // Записываем новые данные в модуль, два байта
  pcf8575_write(dataLowByte, dataHighByte);
  delay(500);
}

// Процедура записи байта в модуль
void pcf8575_write(uint8_t dtl, int8_t dth) {
  Wire.beginTransmission(address);
  Wire.write(dtl); // Записываем младший байт (P00...P07)
  Wire.write(dth); // Записываем старший байт (P10...P17)
  Wire.endTransmission();
}

// Процедура чтения байта из модуля
int16_t pcf8575_read() {
  Wire.beginTransmission(address);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(address, 2);
  lo = Wire.read(); // Читаем младший байт (P00...P07)
  hi = Wire.read(); // Читаем старший байт (P10...P17)
  return (word(hi, lo)); // Возвращаем длинное слово
}

// Библиотека для работы с I2C

#include <Wire.h>

// Адрес модуля на шине по умолчанию

int address = 0x20;

// Данные, прочитанные из модуля

uint8_t hi, lo;

uint16_t dataReceive;

uint8_t dataHighByte; // Старший байт (P10...P17)

uint8_t dataLowByte; // Младший байт (P00...P07)

void setup() {

Wire.begin();

Serial.begin(9600);

// Высокий уровень во все порты PCF8575

dataHighByte = B11111111;

dataLowByte = B11111111;

pcf8575_write(dataLowByte, dataHighByte);

}

void loop() {

// Читаем байт из модуля

dataReceive = pcf8575_read();

// Выводим в монитор в двоичном формате

Serial.println(dataReceive, BIN);

// Выделяем младший байт из длинного слова

dataLowByte = lowByte(dataReceive);

// Копируем младший байт в старший байт

dataHighByte = dataLowByte;

// Накладываем маску на младший байт

dataLowByte |= B11111111;

// Записываем новые данные в модуль, два байта

pcf8575_write(dataLowByte, dataHighByte);

delay(500);

}

// Процедура записи байта в модуль

void pcf8575_write(uint8_t dtl, int8_t dth) {

Wire.beginTransmission(address);

Wire.write(dtl); // Записываем младший байт (P00...P07)

Wire.write(dth); // Записываем старший байт (P10...P17)

Wire.endTransmission();

}

// Процедура чтения байта из модуля

int16_t pcf8575_read() {

Wire.beginTransmission(address);

Wire.endTransmission();

Wire.requestFrom(address, 2);

lo = Wire.read(); // Читаем младший байт (P00...P07)

hi = Wire.read(); // Читаем старший байт (P10...P17)

return (word(hi, lo)); // Возвращаем длинное слово

}

Библиотека Arduino для PCF8574/PCF8575

Библиотеку можно скачать на GitHub. Но, как вы могли видеть, работа с расширителями портов очень проста и можно легко обойтись без специальной библиотеки.

Похожее

Об авторе

Валерий Яценков

Инженер, предприниматель, технический писатель, переводчик и научный редактор переводной литературы. Автор книг по электронике, программированию микроконтроллеров и спутниковой навигации. Независимый консультант/аудитор по применению технологий IoT и Big Data.