基于I2C總線的I／O口擴展設(shè)計

摘要：由于傳統(tǒng)的NI-DIO驅(qū)動板卡能夠驅(qū)動的I／O口數(shù)量比較有限，一般只應(yīng)用在測試通道數(shù)比較少的實驗場合。而在一般的大型環(huán)境試驗中，要求能對多個產(chǎn)品同時測量。如果使用傳統(tǒng)的DIO板卡測試，就會出現(xiàn)測量通道數(shù)量不夠的情況。針對此類問題，提出了運用單片機與I／O擴展芯片PCA9554／A采用I2C通信進行I／O擴展，上位機采用LabVIEW編程，界面友好、操作方便，在環(huán)境實驗中起到了良好效果。
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軍電子市場，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)對這些電子產(chǎn)品的要求比較高，會有很多的技術(shù)指標去規(guī)范它們，其中很重要的一環(huán)便是環(huán)境實驗。出于對工作效率的考慮，一個環(huán)境測試臺架往往要求能對多個產(chǎn)品進行同時測試。而這些產(chǎn)品的引腳數(shù)量一般也會比較多，這樣一來，測試臺架上所需的測試通道數(shù)量就會很多，往往多達幾百個。
一般多數(shù)用于汽車電子產(chǎn)品的環(huán)境測試臺架里面會集成有NI公司的DIO驅(qū)動板卡，由于它們的驅(qū)動端口比較多，便專用來負責產(chǎn)品的環(huán)境實驗測試。以NI-6509為例，這是一個12×8的板卡，總共有12個通道，每通道8位I／O控制組成，總計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)品測試，便會出現(xiàn)I／O口數(shù)
量不夠用的局面。假如環(huán)境實驗要同時測試12個產(chǎn)品，每個產(chǎn)品有40個引腳，那么對于產(chǎn)品引腳繼電器就必須要有480個，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。
針對此類問題，本文提出了一種有效的解決方法，便是應(yīng)用單片機的I／O口配合市面上一些常見的I／O擴展芯片，進行端口的擴展。單片機有4個端口，每個端口8位，總計32個位控制；擴展芯片，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，且每組可同時支持8個芯片(每組最大可容納8個地址)，每個芯片又可控制8個端口。因此，單片機理論上，至少可支持16×8×8個端口。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，達到2 048個，這是一般的板卡所遠遠不能及的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文所涉及到的硬件比較簡單，上位機與MCU之間通過RS 232串口連接，MCU靠外部電源提供的5 V直流電進行工作。再將MCU的2個端口模擬成SCL，SDA兩根線與PCA9554／A進行通信連接。這樣就形成了上位機發(fā)送指令，單片機接受指令并進行相應(yīng)解析后再通過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)主控制器通過寫I／O口相應(yīng)的配置位來激活端口的輸入或輸出。PCA9554／A有3個硬件管腳(A0，A1，A2)來實現(xiàn)不同的I2C地址，最多允許8個器件共用一個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個器件(9554和9554A各8個)連接接到同一個I2C總線上。
1．2 基于PCA9554／A的硬件設(shè)計
按I2C規(guī)約，PCA9554的器件地址為0x40，PCA9554A的器件地址為0x70，當然，由于硬件地址引腳A0～A2可尋址8個器件，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單片機為主控芯片，單片機的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LED燈可以受四個按鍵控制，也可以受上位機進行控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本文系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為兩部分，一個是上位機的LabVIEW程序設(shè)計；另一個則是單片機底層C語言的程序設(shè)計。
2．1 LabVIEW的程序設(shè)計
上位機的程序設(shè)計主要是與MCU串口通信，通過向MCU發(fā)送控制命令來達到對PCA9554／A的I／O口進行控制的目的。
LabVIEW是一種圖形化編程語言，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。
本文主要是用LabVIEW語言編寫與MCU的串口通信程序，界面友好、操作方便。LabVIEW控制單片機是通過Instrument I／O的Serial控件調(diào)用來實現(xiàn)的。主要用到其中的VISA配置串口節(jié)點，包括串口配置、讀、寫、關(guān)閉等節(jié)點。通過對這些節(jié)點的調(diào)用就可以方便的對串口進行操作。
這里，Command to RS 232欄中的指令必須與單片機事先燒錄好的代碼相符合。這樣，單片機才能將接收到的指令進行正確匹配，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，釋放對串口的控制；中間是程序主體，包含對串口的讀、寫操作，實現(xiàn)對串口的雙向通信。為了程序簡潔、形象易懂，此次程序中用到了對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)點來編寫的，只是做了封裝而已。
2．2 MCU的串口通信
上位機是通過串口將指令字符傳遞給單片機的。單片機對串口的讀操作是通過中斷的方式實現(xiàn)的，以字符為單位，每接收到一個8位的字符，MCU產(chǎn)生一個讀中斷RI=1，此時，單片機將接收到的字符儲存起來，然后軟件將RI復(fù)位置0，繼續(xù)接收下一個字符。本系統(tǒng)中，所有計算機發(fā)送給單片機的指令均以‘?’結(jié)尾。MCU接收到‘?’后，產(chǎn)生一個終止位，然后與事先定義好的指令進行匹配，如果指令事先有定義，那么就會執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2．3 MCU的I2C時序模擬
上位機向單片機發(fā)送指令數(shù)據(jù)，如果這些指令已在單片機中事先定義好，那么單片機將會通過模擬的SDA與SCL兩個引腳，根據(jù)PCA9554／A的datasheet時序圖，將控制命令數(shù)據(jù)傳遞給PCA9554／A，從而實現(xiàn)對PCA9554／A的I／O口進行控制。
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PCA9554／A端口的寫操作主要是通過對它的輸出端口寄存器進行寫操作的。具體過程為：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，SDA由低電平向高電平轉(zhuǎn)化則為停止信號。在起始條件后，必須是從機地址，對于PCA9554來說從地址的高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的應(yīng)答信號ACK，從機正確應(yīng)答后便開始由主機發(fā)送命令字節(jié)，接著又是等待從機應(yīng)答，應(yīng)答后便開始發(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PCA9554／A的讀操作稍微麻煩一點，需要在收到第二次從機應(yīng)答信號后再一次發(fā)送總線起始信號及從機地址即可。

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)的時序模擬均要參考PCA9554／A的datasheet中的時間參數(shù)要求，嚴格對應(yīng)。

3 結(jié)語
本文運用單片機與I／O擴展芯片PCA9554／A采用I2C通信進行I／O擴展，提出了具體的軟硬件設(shè)計，完成了上位機對PCA9554／A端口的直接控制，并進行了I／O的有效擴展。并成功的應(yīng)用在對多個汽車電子產(chǎn)品同時測量的環(huán)境試驗中，取得了很好的效果。