基于 MCU 設(shè)計(jì)的I2C 和 SPI 擴(kuò)展器

　　自該技術(shù)問世以來，微控制器 （MCU） 的一個(gè)標(biāo)志性功能就是在 IC 上集成 I/O 端口。通用 I/O 具有多種功能，從簡(jiǎn)單連接到開關(guān)和指示器到用作關(guān)鍵任務(wù)中斷處理的觸發(fā)器。然而，隨著 IC 封裝越來越小、引腳越來越少的趨勢(shì)，有時(shí)您可能會(huì)遇到應(yīng)用程序中所需的 I/O 端口數(shù)量不足的情況。I/O 端口擴(kuò)展器 IC 是在基于 MCU 的設(shè)計(jì)中增加靈活性的寶貴工具。一些 IC 連接到集成 I/O 線路。其他的可以連接串行接口，例如 Inter IC （I2C）。如果您缺少 I/O 線或需要在系統(tǒng)中分配 I/O，則可能有一種設(shè)計(jì)可以滿足您的需求。讓‘

　　我們將首先討論您可能需要 I/O 端口擴(kuò)展器的原因?？偸怯幸粋€(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，即選擇具有更多 I/O 端口的不同 MCU，但這可能不是最佳選擇。通過將微型 MCU 與端口擴(kuò)展器 IC 相結(jié)合，您可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸、更低成本和更低功耗的設(shè)計(jì)。此外，當(dāng)今大多數(shù) MCU 將多種功能分配給許多引腳，以盡量減少 IC 占用空間。您可能無法訪問集成在 MCU 中的 I/O，因?yàn)槟枰撘_用于另一個(gè)外設(shè)。在某些應(yīng)用中，您可能需要遠(yuǎn)離 MCU、靠近與現(xiàn)實(shí)世界的物理接口的 I/O 集群。

　　I/O 擴(kuò)展器肯定派上用場(chǎng)的一個(gè)地方是與引腳很少的非常小的 MCU 并駕齊驅(qū)。例如，一些PIC12F 系列中的Microchip 8 位 MCU 采用 8 引腳封裝。具體來說，我們將討論P(yáng)IC12F1822。8 引腳 MCU 僅包含 6 條 I/O 線，由于引腳與其他外設(shè)共享，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)無法將所有這些引腳用于通用 I/O。MCU 還包括一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)定時(shí)器。

　　I2C 和 SPI 擴(kuò)展器

　　PIC12F1822 還包括一個(gè)數(shù)字接口，可用于支持 I2C 或串行外設(shè)接口 （SPI）。兩者均可用于連接多個(gè)片外外圍設(shè)備，包括串行存儲(chǔ)器和通過 I/O 端口擴(kuò)展器的附加 I/O。

　　Microchip 提供了許多可與 PIC12F1822 一起使用的擴(kuò)展器 IC。例如，MCP23018I2C（圖 1）基于 I2C，包括 16 條通用 I/O 線，可作為 16 位端口無縫讀寫。串行鏈路可以以 3.4 Mbits/s 的速度傳輸數(shù)據(jù)。這可能看起來并不快，但對(duì)于大多數(shù) I/O 操作來說已經(jīng)足夠了，因?yàn)?CPU 時(shí)鐘將以 32 MHz 或更慢的速度運(yùn)行。

　　圖 1：Microchip MCP32018 和 MCP23S18 I/O 端口擴(kuò)展器 IC 分別使用 I2C 和 SPI 接口，將 16 個(gè)通用 I/O 端口添加到 MCU 的片上 I/O 分配中。

　　如果您仔細(xì)查看圖 1 中的框圖，您會(huì)注意到第二個(gè)虛線選項(xiàng)——依賴 SPI 而不是 I2C的MCP23S18 。SPI 鏈路以 10 Mbits/s 的速度運(yùn)行得更快。您可以選擇 I2C 或 SPI 還有其他原因，其中一個(gè)重要原因可能是您的應(yīng)用程序中需要的其他外設(shè)以及這些外設(shè)支持的串行標(biāo)準(zhǔn)。

　　Microchip 提供其他 I/O 擴(kuò)展器，包括 8 位版本。該公司還提供集成額外外圍設(shè)備的擴(kuò)展器，例如額外的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和定時(shí)器。

　　通過一根 I/O 線進(jìn)行擴(kuò)展

　　讓我們繼續(xù)討論德州儀器（TI） 的一種新擴(kuò)展方法，該方法使用更簡(jiǎn)單的接口。TI 提供依賴于 I2C 和系統(tǒng)管理總線 （SMBus） 的擴(kuò)展器 IC，但新的 TI TCA5405依賴于一條 MCU 通用 I/O 線來提供五個(gè) I/O 引腳（圖 2）。

　　圖 2：德州儀器開發(fā)了一種自定時(shí)單線 （STSW） 接口，允許工程師使用單個(gè) MCU I/O 添加 5 個(gè) I/O 端口來連接擴(kuò)展器。

　　TCA5405 使用 TI 所謂的 STSW（自定時(shí)單線）接口，需要單線和接地。相比之下，SPI 至少需要三根電線，而 I2C 需要電線，盡管其中兩根是參考電壓和接地。

　　連接到 TCA5405 的主控 MCU 必須生成一個(gè)主控時(shí)鐘，以便擴(kuò)展器在設(shè)置期間進(jìn)行采樣，然后生成與主控同步的自己的時(shí)鐘。TI 沒有定義 STSW 接口的最大數(shù)據(jù)速率，但規(guī)格表定義了 10 kHz 的 TCA5405 的最大輸入開關(guān)頻率。

　　I/O 端口特性

　　端口擴(kuò)展器還有許多其他特性可能會(huì)影響您為應(yīng)用程序選擇的產(chǎn)品。例如，TCA5405 依賴于推挽式 I/O。TI 表示，推挽式設(shè)計(jì)允許擴(kuò)展器以低于 20 mA 的電流驅(qū)動(dòng)便攜式應(yīng)用中的 LED。

　　當(dāng)然，只有當(dāng)電源電壓大于 LED 的正向電壓時(shí)，擴(kuò)展器才能完成這樣的任務(wù)。TI 規(guī)定的電源電壓范圍為 1.65 至 3.6 V，驅(qū)動(dòng) LED 的設(shè)計(jì)將處于該范圍的高端。

　　前面討論的 Microchip 擴(kuò)展器使用開漏輸出。這種配置很有用，因?yàn)?IC 通常吸收的電流比它們可以提供的電流多。此外，MCU 和 I/O 擴(kuò)展器 IC 都可以在低于為外部組件供電所需的電源電壓下運(yùn)行。例如，在 LED 的情況下，即使擴(kuò)展器在較低電壓下運(yùn)行并提供相應(yīng)的節(jié)能效果，開漏輸出也可以通過被上拉至 5 V 的 LED 吸收驅(qū)動(dòng)電流。

　　鑒于許多 IC 制造商提供種類繁多的 I/O 擴(kuò)展器，最后一個(gè)主題是您是否可以使用一個(gè)供應(yīng)商的 MCU 和第二個(gè)供應(yīng)商的擴(kuò)展器 IC。一般來說，答案是肯定的。但是，這可能需要一些努力。例如，您必須對(duì)來自其他供應(yīng)商的 MCU 進(jìn)行編程，才能為 TI STSW 接口提供必要的時(shí)序。相反，期望 TI 在其工具庫中支持該接口，用于許多 MCU，甚至可能是其他 DSP 或微處理器?；?SPI 等標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展器應(yīng)該更易于跨公司使用。

　　下次當(dāng)您遇到想要使用的 MCU 與 I/O 要求不匹配時(shí)，請(qǐng)確保在簡(jiǎn)單地選擇可能使用更多功率和更高成本的更大 MCU 之前考慮使用擴(kuò)展器 IC。此外，看看分配 I/O 是否更有意義，因?yàn)槭褂脭U(kuò)展器可以將 I/O 定位在物理接口上。您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)絕對(duì)簡(jiǎn)單的擴(kuò)展器是您工具箱中很有價(jià)值的一部分。