PCF8574

定义

PCF8574是一款采用硅CMOS工艺制成的集成电路,作用是在I²C总线上实现通用的远程输入输出扩展。它通过两线双向总线,即串行时钟线SCL与串行数据线SDA,为多数微控制器系列补充并行端口^[1]。

器件由8位准双向端口和I²C总线接口两部分构成,工作电源电压范围为2.5V至6V,待机电流典型值2.5μA、最大值10μA^[3]。每个端口位都可以独立设定为输入或输出,不需要方向控制信号,锁存输出可直接驱动发光二极管^[4]。

原理

PCF8574在I²C总线上始终作为从器件工作。主机先发送起始条件,再发出包含读写方向位的从机地址字节,芯片应答后接收或送出1个数据字节;该字节的8个位与P0至P7端口一一对应,写操作把数据送到端口,读操作则把端口电平送回主机^[5]。地址字节的从器件地址由固定部分与A0、A1、A2三个硬件地址引脚共同决定,引脚直接接电源或地即可,不需要外部上拉电阻^[6]。

准双向端口的结构决定了其电气行为。端口处于高电平时只有一路约100μA的弱电流源有效,端口可被外部信号拉低而作为输入使用;写入低电平时则接通灌电流晶体管,把端口拉到地^[7]。芯片内部的上电复位电路在加电时把全部I/O初始化为带弱上拉的输入状态^[8]。

中断输出INT为开漏结构,在输入模式下端口出现任意上升沿或下降沿时被激活,并保持有效直到端口数据恢复原值、或主机对该端口进行一次读或写操作后复位^[5]。这一机制让芯片能够通知微控制器端口上有新数据到达,微控制器不必持续通过总线查询输入寄存器^[4]。

发展历程

I²C总线由飞利浦在20世纪80年代为电视机内部连接外围电路而开发,通过减少印制板走线数量、降低微处理器通用输入输出引脚占用,达到简化设计、降低成本的目的^[9]。PCF8574是伴随这一总线体系出现的通用外围芯片之一,早期资料中即把它列为8位远程I/O端口,并注明可用于MAB8400与PCF84CXX等微控制器系列^[10]。

在20世纪80年代末至90年代的产品资料中,PCF8574以DIP16、SO16等封装出现,SCL时钟频率上限为100kHz,属于标准模式I²C器件^[11]。此后恩智浦延续该产品线,德克萨斯仪器公司也提供型号兼容的器件,其数据手册版本可追溯至2001年并持续修订^[12]。飞利浦半导体与后续的恩智浦还推出过端口数更多的同族器件,如16位的PCF8575^[13]。

应用

该芯片的典型用途是在微控制器通用端口不足时提供补充。厂商列出的适用场合包括电信机房的滤波单元、服务器、路由器等电信交换设备、个人计算机、个人电子产品以及工业自动化设备^[12]。

在输入侧,准双向端口可独立指定为输入,用于监听键盘或读取开关、按键状态;在输出侧则用于驱动发光二极管等指示器件^[8]。由于多条地址引脚可区分不同器件,同一总线上可并联多个扩展器:媒体资料显示,使用3个地址引脚,P0至P7端口与并行的8个同类器件可支持多达64路通用端口^[14];厂商资料则称,PCF8574与从地址固定部分不同的PCF8574A合并使用,同一总线上最多可有16个扩展器、合计提供128路I/O^[4]。

在国内工程文献中,该器件被用于道路照明远程终端单元遥信接口的开关量输入扩展、行列式键盘接口扩展以及配合液晶显示模块使用等多种场合^[15]。

局限

PCF8574的端口属于准双向结构,没有真正的引脚方向寄存器,不能像普通通用端口那样任意配置方向^[14]。输出高电平时只有微弱电流源,灌电流能力远大于拉电流能力,因此驱动负载时通常要把器件当作下拉开关使用;若需要较大的高电平驱动电流,必须外加外部上拉电阻^[16]。

开漏中断线只能提示端口电平发生过变化,无法区分是哪一个引脚触发,中断也无法按位单独使能^[17]。中断复位期间还可能丢失或极短促的脉冲,存在漏检风险^[5]。

总线速率方面,该器件只支持最高100kHz的标准模式I²C,不能运行于高速模式,对需要更高数据吞吐的设计构成限制^[17]。与提供方向寄存器、可逐位配置中断的同类型器件相比,它在灵活性和软件驱动生态方面也相对简单^[18]。

参见

• I²C总线 —— PCF8574所依附的两线双向串行总线,提供时钟线与数据线。

• 微控制器 —— PCF8574的主要服务对象,为其补充通用输入输出端口。

• PCF8575 —— 与PCF8574同族的16位远程I/O扩展器。

• MCP23017 —— 另一款I²C接口I/O扩展器,具有方向寄存器与更灵活的中断配置。

• 准双向端口 —— PCF8574端口采用的输入输出复用结构,无须方向控制信号。

• 开漏输出 —— 中断引脚INT采用的输出形式,需要外部上拉电阻。