2. I2C接口GPIO扩展芯片详解：PCF8574/PCF8575原理、地址配置与读写时序
好，咱们进入正题。上一章聊了为什么需要GPIO扩展，这一章咱们直接看芯片——PCF8574和PCF8575。这两颗芯片，可以说是I2C GPIO扩展领域的「老兵」了。我入行那会儿，它们就已经在市场上站稳了脚跟，直到现在，很多工业产品和消费电子里依然能看到它们的身影。
说白了，它们干的事很简单：用两根线（I2C总线）换回8个或16个GPIO口。但你别小看这个功能，在引脚紧张的MCU项目里，这简直就是救星。
2.1 PCF8574与PCF8575的核心区别
先看个表格，一目了然：
| 参数 | PCF8574 | PCF8575 |
|---|---|---|
| GPIO数量 | 8位（P0~P7） | 16位（P0~P15） |
| 封装 | SO-16 / DIP-16 | SO-24 / SSOP-24 |
| I2C地址范围 | 0x20 ~ 0x27（3位地址线） | 0x20 ~ 0x27（3位地址线） |
| 最大挂载数量 | 8片 | 8片 |
| 输出驱动能力 | 推挽/开漏，25mA灌电流 | 推挽/开漏，25mA灌电流 |
| 中断输出 | 有（INT引脚） | 有（INT引脚） |
嗯，这里要注意：PCF8574是8位的，PCF8575是16位的。如果你只需要扩展几个按键或者LED，8574就够了。但如果你要驱动一个16x2的字符液晶，或者同时控制一堆继电器，那8575会更合适。
我个人习惯是：能用8574就不上8575。为什么？因为8574的封装更小，布线更简单，而且8位IO在大多数场景下已经够用了。多出来的8个口，很多时候反而是浪费PCB面积。
2.2 地址配置：别让地址冲突坑了你
I2C总线上每个设备必须有唯一的地址。PCF8574/8575的地址由两部分组成：
- 固定部分：高4位，固定为
0100（即0x4） - 可配置部分：低3位，由A0、A1、A2引脚的电平决定
所以完整的地址格式是：0100 A2 A1 A0，范围从 0100 000（0x20）到 0100 111（0x27）。
举个例子：
- A0接GND，A1接GND，A2接GND → 地址 0x20
- A0接VCC，A1接GND，A2接GND → 地址 0x21
- A0接GND，A1接VCC，A2接VCC → 地址 0x26
另外，PCF8574和PCF8575的地址范围完全一样。如果你在一条I2C总线上同时使用这两种芯片，要注意地址不能重复。比如你用了0x20的8574，就不能再用0x20的8575了。
2.3 读写时序：I2C通信的核心
PCF8574/8575的I2C时序其实很简单，但有几个细节容易出错。咱们一个一个说。
2.3.1 写操作（输出）
写操作就是MCU向芯片的IO口输出电平。时序如下：
- 发送起始条件（START）
- 发送设备地址 + 写位（0x40 | 地址 << 1）
- 等待从机应答（ACK）
- 发送数据字节（要输出的IO状态）
- 等待从机应答（ACK）
- 发送停止条件（STOP）
代码示例（基于STM32 HAL库）：
// 向PCF8574写入一个字节
// addr: 芯片地址（0x20~0x27）
// data: 要输出的数据，bit0对应P0，bit7对应P7
HAL_StatusTypeDef PCF8574_Write(uint8_t addr, uint8_t data)
{
return HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, addr << 1, &data, 1, 100);
}你看，就这么简单。但有个坑：PCF8574的IO口在复位后默认是高电平。如果你要驱动LED，记得把LED的阴极接IO口，阳极通过电阻接VCC。这样IO输出低电平时LED亮，输出高电平时LED灭。我刚开始做的时候没注意这个，直接把LED阳极接IO口了，结果上电瞬间所有LED都亮了，吓我一跳。
2.3.2 读操作（输入）
读操作稍微复杂一点，因为PCF8574的IO口是准双向的。什么意思？就是说，你要先写一个高电平到某个引脚，然后才能把它当输入用。
时序如下：
- 发送起始条件（START）
- 发送设备地址 + 读位（0x40 | 地址 << 1 | 0x01）
- 等待从机应答（ACK）
- 读取数据字节（从机发送，主机应答）
- 发送非应答（NACK）
- 发送停止条件（STOP）
代码示例：
// 从PCF8574读取一个字节
// addr: 芯片地址（0x20~0x27）
// 返回值: 读取到的IO状态
uint8_t PCF8574_Read(uint8_t addr)
{
uint8_t data = 0;
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, (addr << 1) | 0x01, &data, 1, 100);
return data;
}2.4 中断功能：别让CPU空转
PCF8574/8575有一个INT引脚，当输入引脚状态发生变化时，INT会输出低电平。这个功能在按键检测中特别有用。
你想想看，如果没有中断，你就得不停地轮询IO口，CPU啥也干不了。有了中断，CPU可以安心睡大觉，等按键按下时再被唤醒。
使用中断的步骤：
- 将INT引脚连接到MCU的外部中断引脚
- 配置MCU的外部中断为下降沿触发
- 在中断服务函数中读取PCF8574的IO状态
2.5 实际项目中的选型建议
最后，给几个实际建议：
- 按键扫描：用PCF8574，8个口可以接8个按键，配合中断，效率很高
- LED控制：如果只是控制几个指示灯，8574够用；如果要控制数码管或者点阵，建议上8575
- 多片级联：一条I2C总线上最多挂8片，总共64个IO口（8574）或128个IO口（8575）。但要注意总线电容，距离长了要加I2C中继器
- 电平匹配：PCF8574/8575的工作电压是2.5V~5.5V，但I2C总线电平要和MCU匹配。如果MCU是3.3V，芯片是5V，最好加电平转换
嗯，这一章的内容差不多就这些。PCF8574和PCF8575虽然老，但胜在稳定、便宜、资料多。下一章咱们会实际动手，写一个完整的驱动代码，包括初始化、读写、中断处理，到时候你就知道怎么用了。