基于I2C總線的I／O口擴(kuò)展設(shè)計(jì)

摘要：由于傳統(tǒng)的NI-DIO驅(qū)動(dòng)板卡能夠驅(qū)動(dòng)的I／O口數(shù)量比較有限，一般只應(yīng)用在測(cè)試通道數(shù)比較少的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合。而在一般的大型環(huán)境試驗(yàn)中，要求能對(duì)多個(gè)產(chǎn)品同時(shí)測(cè)量。如果使用傳統(tǒng)的DIO板卡測(cè)試，就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量通道數(shù)量不夠的情況。針對(duì)此類問(wèn)題，提出了運(yùn)用單片機(jī)與I／O擴(kuò)展芯片PCA9554／A采用I2C通信進(jìn)行I／O擴(kuò)展，上位機(jī)采用LabVIEW編程，界面友好、操作方便，在環(huán)境實(shí)驗(yàn)中起到了良好效果。
關(guān)鍵詞：I／O口；MCU；PCA9554／A；LabVIEW

0 引言
    隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類電子產(chǎn)品像雨后春筍般大量的進(jìn)軍電子市場(chǎng)，其中也包括正在蓬勃發(fā)展的汽車電子行業(yè)。一般汽車電子行業(yè)對(duì)這些電子產(chǎn)品的要求比較高，會(huì)有很多的技術(shù)指標(biāo)去規(guī)范它們，其中很重要的一環(huán)便是環(huán)境實(shí)驗(yàn)。出于對(duì)工作效率的考慮，一個(gè)環(huán)境測(cè)試臺(tái)架往往要求能對(duì)多個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行同時(shí)測(cè)試。而這些產(chǎn)品的引腳數(shù)量一般也會(huì)比較多，這樣一來(lái)，測(cè)試臺(tái)架上所需的測(cè)試通道數(shù)量就會(huì)很多，往往多達(dá)幾百個(gè)。
    一般多數(shù)用于汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境測(cè)試臺(tái)架里面會(huì)集成有NI公司的DIO驅(qū)動(dòng)板卡，由于它們的驅(qū)動(dòng)端口比較多，便專用來(lái)負(fù)責(zé)產(chǎn)品的環(huán)境實(shí)驗(yàn)測(cè)試。以NI-6509為例，這是一個(gè)12×8的板卡，總共有12個(gè)通道，每通道8位I／O控制組成，總計(jì)96路I／O控制；NI-2532的矩陣板卡，其能支持的通道數(shù)是32×16，共512路。這些I／O端口，針對(duì)一般的應(yīng)用是夠的，但如果用于引腳數(shù)量比較多的產(chǎn)品測(cè)試，便會(huì)出現(xiàn)I／O口數(shù)
量不夠用的局面。假如環(huán)境實(shí)驗(yàn)要同時(shí)測(cè)試12個(gè)產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品有40個(gè)引腳，那么對(duì)于產(chǎn)品引腳繼電器就必須要有480個(gè)，再加上一些外圍輔助儀器介入的切換，那么在這種情況下，這類DIO板卡的應(yīng)用就顯得很勉強(qiáng)。
    針對(duì)此類問(wèn)題，本文提出了一種有效的解決方法，便是應(yīng)用單片機(jī)的I／O口配合市面上一些常見(jiàn)的I／O擴(kuò)展芯片，進(jìn)行端口的擴(kuò)展。單片機(jī)有4個(gè)端口，每個(gè)端口8位，總計(jì)32個(gè)位控制；擴(kuò)展芯片，比如I2C芯片，只需要2根線(SDA＆SCL)即可，因此可以連16組I2C通信，且每組可同時(shí)支持8個(gè)芯片(每組最大可容納8個(gè)地址)，每個(gè)芯片又可控制8個(gè)端口。因此，單片機(jī)理論上，至少可支持16×8×8個(gè)端口。并且，如果芯片頭地址可以不一樣的話，例如PCA9554和PCA9554A，那么端口數(shù)量又可以增加一倍，達(dá)到2 048個(gè)，這是一般的板卡所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能及的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本文所涉及到的硬件比較簡(jiǎn)單，上位機(jī)與MCU之間通過(guò)RS 232串口連接，MCU靠外部電源提供的5 V直流電進(jìn)行工作。再將MCU的2個(gè)端口模擬成SCL，SDA兩根線與PCA9554／A進(jìn)行通信連接。這樣就形成了上位機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)接受指令并進(jìn)行相應(yīng)解析后再通過(guò)SDA、SCL兩根線向PCA9554／A發(fā)送命令數(shù)據(jù)，控制它的輸入與輸出。
1．1 PCA9554／A芯片介紹
    PCA9554和PCA9554A是16腳的CMOS器件，它們提供了I2C的應(yīng)用中的8位通用并行輸入／輸出口(GPIO)，PCA9554／54A包含一個(gè)8位配置寄存器(輸入或輸出選擇)、8位輸入寄存器、8位輸出寄存器和一個(gè)極性反轉(zhuǎn)(高電平或低電平操作有效)寄存器。系統(tǒng)主控制器通過(guò)寫I／O口相應(yīng)的配置位來(lái)激活端口的輸入或輸出。PCA9554／A有3個(gè)硬件管腳(A0，A1，A2)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的I2C地址，最多允許8個(gè)器件共用一個(gè)I2C總線上。PCA9554與PCA554A的惟一區(qū)別在于I2C地址不同，這樣最多允許16個(gè)器件(9554和9554A各8個(gè))連接接到同一個(gè)I2C總線上。
1．2 基于PCA9554／A的硬件設(shè)計(jì)
    按I2C規(guī)約，PCA9554的器件地址為0x40，PCA9554A的器件地址為0x70，當(dāng)然，由于硬件地址引腳A0～A2可尋址8個(gè)器件，所以器件地址并不惟一，例如：A0接GND，A1接VCC，則PCA9554的器件地址為0x4C。使用STC89C52單片機(jī)為主控芯片，單片機(jī)的P1．3管腳與PCA9554的SDA管腳相連，P1．2管腳與PCA9554的SCL管腳相連。4個(gè)LED燈可以受四個(gè)按鍵控制，也可以受上位機(jī)進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本文系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一個(gè)是上位機(jī)的LabVIEW程序設(shè)計(jì)；另一個(gè)則是單片機(jī)底層C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。
2．1 LabVIEW的程序設(shè)計(jì)
    上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要是與MCU串口通信，通過(guò)向MCU發(fā)送控制命令來(lái)達(dá)到對(duì)PCA9554／A的I／O口進(jìn)行控制的目的。
    LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。
    本文主要是用LabVIEW語(yǔ)言編寫與MCU的串口通信程序，界面友好、操作方便。LabVIEW控制單片機(jī)是通過(guò)Instrument I／O的Serial控件調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主要用到其中的VISA配置串口節(jié)點(diǎn)，包括串口配置、讀、寫、關(guān)閉等節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的調(diào)用就可以方便的對(duì)串口進(jìn)行操作。
    這里，Command to RS 232欄中的指令必須與單片機(jī)事先燒錄好的代碼相符合。這樣，單片機(jī)才能將接收到的指令進(jìn)行正確匹配，并執(zhí)行相應(yīng)操作。
    程序左端調(diào)用Configuration模塊，進(jìn)行串口的基本配置，比如BaudRate、數(shù)據(jù)位等，使這些參數(shù)與單片機(jī)里面的串口預(yù)定義設(shè)置相一致；右側(cè)是Close模塊，用于程序退出時(shí)，釋放對(duì)串口的控制；中間是程序主體，包含對(duì)串口的讀、寫操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的雙向通信。為了程序簡(jiǎn)潔、形象易懂，此次程序中用到了對(duì)LabVIEW子函數(shù)的調(diào)用，如RS 232-ini，RS 232W-R等模塊，這些子函數(shù)就是用VISA串口節(jié)點(diǎn)來(lái)編寫的，只是做了封裝而已。
2．2 MCU的串口通信
    上位機(jī)是通過(guò)串口將指令字符傳遞給單片機(jī)的。單片機(jī)對(duì)串口的讀操作是通過(guò)中斷的方式實(shí)現(xiàn)的，以字符為單位，每接收到一個(gè)8位的字符，MCU產(chǎn)生一個(gè)讀中斷RI=1，此時(shí)，單片機(jī)將接收到的字符儲(chǔ)存起來(lái)，然后軟件將RI復(fù)位置0，繼續(xù)接收下一個(gè)字符。本系統(tǒng)中，所有計(jì)算機(jī)發(fā)送給單片機(jī)的指令均以‘?’結(jié)尾。MCU接收到‘?’后，產(chǎn)生一個(gè)終止位，然后與事先定義好的指令進(jìn)行匹配，如果指令事先有定義，那么就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作。
           
2．3 MCU的I2C時(shí)序模擬
    上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送指令數(shù)據(jù)，如果這些指令已在單片機(jī)中事先定義好，那么單片機(jī)將會(huì)通過(guò)模擬的SDA與SCL兩個(gè)引腳，根據(jù)PCA9554／A的datasheet時(shí)序圖，將控制命令數(shù)據(jù)傳遞給PCA9554／A，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PCA9554／A的I／O口進(jìn)行控制。
2．3．1 PCA9554／A的寫操作
    根據(jù)I2C總線傳輸協(xié)議以及PCA9554／A的總線讀寫特性，可以看出：對(duì)PCA9554／A端口的寫操作主要是通過(guò)對(duì)它的輸出端口寄存器進(jìn)行寫操作的。具體過(guò)程為：在SCL為高電平期間，SDA由高電平向低電平轉(zhuǎn)換作為起始信號(hào)，SDA由低電平向高電平轉(zhuǎn)化則為停止信號(hào)。在起始條件后，必須是從機(jī)地址，對(duì)于PCA9554來(lái)說(shuō)從地址的高4位是0100，而PCA9554A則是0111，A2，A1，A0的高低電平狀態(tài)可以有8種組合，最后一位是讀寫選擇位。從地址發(fā)送完后便是等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)ACK，從機(jī)正確應(yīng)答后便開(kāi)始由主機(jī)發(fā)送命令字節(jié)，接著又是等待從機(jī)應(yīng)答，應(yīng)答后便開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)了。以下為PCA9554的寫操作部分代碼。

2．3．2 PCA9554／A的讀操作
    對(duì)PCA9554／A的讀操作稍微麻煩一點(diǎn)，需要在收到第二次從機(jī)應(yīng)答信號(hào)后再一次發(fā)送總線起始信號(hào)及從機(jī)地址即可。    

    由于篇幅原因，以上均只給出了部分重要程序。需要提出的是I2C總線上的起始、停止、以及讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)序模擬均要參考PCA9554／A的datasheet中的時(shí)間參數(shù)要求，嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文運(yùn)用單片機(jī)與I／O擴(kuò)展芯片PCA9554／A采用I2C通信進(jìn)行I／O擴(kuò)展，提出了具體的軟硬件設(shè)計(jì)，完成了上位機(jī)對(duì)PCA9554／A端口的直接控制，并進(jìn)行了I／O的有效擴(kuò)展。并成功的應(yīng)用在對(duì)多個(gè)汽車電子產(chǎn)品同時(shí)測(cè)量的環(huán)境試驗(yàn)中，取得了很好的效果。