分享科技與遊戲 by HKGoldenMr.A: PCF8574* VS MCP23017

2021-04-01

PCF8574* VS MCP23017

最近打算接駁幾個顯示器，顯示一些資料
但單單是一個 8x8點陣顯示器便要用 16支引腳，引腳使用量非常多
因此尋找一些類似使用 I²C 或 SPI 不需要太多引腳便可以模擬多位元的擴展器

PCF8574* 外觀
PCF8574* 引腳
PCF8574* 地址
PCF8574* 電路
MCP23017 外觀
MCP23017 引腳
MCP23017 地址
MCP23017 暫存器
- 8位元模式
- 16位元模式
MCP23017 電路
總結
參考資料

MCP23017 與在下之前介紹的 PCF8574 都是一種 I²C 的擴展器
而且 MCP23017 是 16位元擴展器，比 PCF8574 多8位元
由於 I²C 只需要 2支引腳便可以讓 Slave 裝置運作，如果成本相約的話， MCP23017 擴充效果會更好
因此在下簡單比較 PCF8574* 及 MCP23017

PCF8574* 外觀

PCF8574 及 PCF8574A 的正面

PCF8574 或 PCF8574A 的背面

PCF8574* 引腳

PCF8574* 具有雙列直插封裝 (Dual In-line Package (DIP)) ，共有 16支引腳

後	引腳16	引腳15	引腳14	引腳13	引腳12	引腳11	引腳10	引腳9
後	引腳1	引腳2	引腳3	引腳4	引腳5	引腳6	引腳7	引腳8
用途	VCC	SDA	SCL	INT	D7	D6	D5	D4
用途	A0	A1	A2	D0	D1	D2	D3	GND

編號	描述	方向	用途
1	A0	輸入	第0位地址
2	A1	輸入	第1位地址
3	A2	輸入	第2位地址
4	D0	輸入/輸出	第0位元資料
5	D1	輸入/輸出	第1位元資料
6	D2	輸入/輸出	第2位元資料
7	D3	輸入/輸出	第3位元資料
8	GND		接地
9	DB4	輸入/輸出	第4位元資料
10	DB5	輸入/輸出	第5位元資料
11	DB6	輸入/輸出	第6位元資料
12	DB7	輸入/輸出	第7位元資料
13	INT	輸入	中斷訊號
14	SCL	輸入	序列時脈
15	SDA	輸入	序列資料
16	VCC		電源 (接受 1.8V 至 5.5V)

PCF8574* 地址

PCF8574 及 PCF8574A 的地址範圍並不相同

類型	地址							讀/寫
類型	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
PCF8574	0	1	0	0	#	#	#	*
PCF8574A	0	1	1	1	#	#	#	*

PCF8574地址							讀/寫	十六進制地址
D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	寫	讀
0	1	0	0	0	0	0	*	0x40	0x41
0	1	0	0	0	0	1	*	0x42	0x43
0	1	0	0	0	1	0	*	0x44	0x45
0	1	0	0	0	1	1	*	0x46	0x47
0	1	0	0	1	0	0	*	0x48	0x49
0	1	0	0	1	0	1	*	0x4A	0x4B
0	1	0	0	1	1	0	*	0x4C	0x4D
0	1	0	0	1	1	1	*	0x4E	0x4F

PCF8574A地址							讀/寫	十六進制地址
D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	寫	讀
0	1	1	1	0	0	0	*	0x70	0x71
0	1	1	1	0	0	1	*	0x72	0x73
0	1	1	1	0	1	0	*	0x74	0x75
0	1	1	1	0	1	1	*	0x76	0x77
0	1	1	1	1	0	0	*	0x78	0x79
0	1	1	1	1	0	1	*	0x7A	0x7B
0	1	1	1	1	1	0	*	0x7C	0x7D
0	1	1	1	1	1	1	*	0x7E	0x7F

PCF8574* 電路

電路原型

使用 PCF8574 及 PCF8574A 來測試電路

測試效果
即使只顯示 1格 LED 都很暗，如果 64格 LED 全亮著接近沒有光度

在下使用 Arduino 預設的 Wire.h 函式庫測試

#include <Wire.h>

byte anodeAddress = 0x20;
byte cathodeAddress = 0x38;

void set(byte address, byte data) {
    Wire.beginTransmission(address);
    Wire.write(data);
    Wire.endTransmission();
}

void setup() {
    Wire.begin();
}

void loop() {
    for (byte r = 0; r < 8; r++) {
        // anodes
        set(cathodeAddress, ~0x00);
        set(anodeAddress, 1 << r);
        for (byte c = 0; c < 8; c++) {
            // cathodes
            set(cathodeAddress, ~(1 << c));
            delay(100);
        }
    }
}

閣下可能會發現 Wire.h 設定地址分別是 0x20 及 0x38 並不是 PCF8574 及 PCF8574A 的範圍
原因是 Wire.h 設定地址時，並不理會讀寫的位元
即是如果要指定 0x40 的地址時，會向右偏移 1位元，所以 0x40 >> 1 即是 0x20
同樣，如果要指定 0x70 的地址時，會向右偏移 1位元，所以 0x70 >> 1 即是 0x38

MCP23017 外觀

MCP23017 的正面

MCP23017 的背面

MCP23017 引腳

MCP23017 同樣具有雙列直插封裝 (Dual In-line Package (DIP)) ，共有 28支引腳，數量與 ATmega328P* 相同

後	引腳28	引腳27	引腳26	引腳25	引腳24	引腳23	引腳22	引腳21	引腳20	引腳19	引腳18	引腳17	引腳16	引腳15
後	引腳1	引腳2	引腳3	引腳4	引腳5	引腳6	引腳7	引腳8	引腳9	引腳10	引腳11	引腳12	引腳13	引腳14
用途	DA7	DA6	DA5	DA4	DA3	DA2	DA1	DA0	INTA	INTB	RST	A2	A1	A0
用途	DB0	DB1	DB2	DB3	DB4	DB5	DB6	DB7	VCC	GND	NC0	SCL	SDA	NC1

編號	描述	方向	用途
1	DB0	輸入/輸出	Port B 第0位元資料
2	DB1	輸入/輸出	Port B 第1位元資料
3	DB2	輸入/輸出	Port B 第2位元資料
4	DB3	輸入/輸出	Port B 第3位元資料
5	DB4	輸入/輸出	Port B 第4位元資料
6	DB5	輸入/輸出	Port B 第5位元資料
7	DB6	輸入/輸出	Port B 第6位元資料
8	DB7	輸入/輸出	Port B 第7位元資料
9	VCC		電源 (接受 1.8V 至 5.5V)
10	GND		接地
11	NC0		無效
12	SCL	輸入	序列時脈
13	SDA	輸入	序列資料
14	NC1		無效
15	A0	輸入	第0位地址
16	A1	輸入	第1位地址
17	A2	輸入	第2位地址
18	RST	輸入	高電位時重設，低電位時運作
19	INTB	輸出	中斷 Port B 訊號
20	INTA	輸出	中斷 Port A 訊號
21	DA0	輸入/輸出	Port A 第0位元資料
22	DA1	輸入/輸出	Port A 第1位元資料
23	DA2	輸入/輸出	Port A 第2位元資料
24	DA3	輸入/輸出	Port A 第3位元資料
25	DA4	輸入/輸出	Port A 第4位元資料
26	DA5	輸入/輸出	Port A 第5位元資料
27	DA6	輸入/輸出	Port A 第6位元資料
28	DA7	輸入/輸出	Port A 第7位元資料

MCP23017 地址

MCP23017地址與 PCF8574地址相同，地址範圍為 0x20 至 0x27

MCP23017 暫存器

MCP23017 暫存器共有 11個指令，區分 Port A 及 Port B 即是總共 22個指令

指令	用途
IODIR	輸入輸出方向暫存器 (Input/Output Direction Register) 控制 Port 的方向，高電位為輸入，低電位為輸出例如：0x03 表示第7至第2引腳為輸出，第1至第0引腳為輸入
IPOL	輸入極性暫存器 (Input Polarity Register) 當 Port 的設定為輸入時，改變輸入的極性為相反訊號，即是高電位改變為低電位，反之亦然例如：0xC0 表示第7至第6引腳極性會反轉，第5至第0引腳極性為正常
GPINTEN	通用目的輸入輸出中斷啟動暫存器 (General Purpose Input/Output Interrupt Enable Register) 指定 Port 引腳為中斷，高電位為啟動，低電位為取消例如：0x0F 表示第7至第4引腳為取消，第3至第0引腳為啟動啟動 Interrupt on Change 的引腳，必須設定 DEFVAL 及 INTCON 功能
DEFVAL	預設值暫存器 (Default Value Register) 設定 Port 引腳的預設值當引腳的狀態與引腳的預設值為相反時，中斷操作
INTCON	中斷控制暫存器 (Interrupt Control Register) 設定 Port 引腳的比較狀態高電位為與 DEFVAL 比較，低電位為與 Port 引腳上次電位比較
IOCON	輸入輸出設置暫存器 (Input/Output Configuration Register) 第7位元，設定 BANK 高電位為 8位元模式低電位為 16位元模式第6位元，設定 MIRROR 高電位為 INT*引腳內部連接低電位為 INTA引腳對應 Port A ，INTB引腳對應 Port B 第5位元，設定 SEQOP 高電位為取消順序操作，地址指針不遞增低電位為啟動順序操作，地址指針遞增第4位元，設定 DISSLW 高電位為取消迴轉率低電位為啟動迴轉率第3位元，設定 HAEN (只適合 MCP23S17) 高電位為啟動硬件地址低電位為取消硬件地址第2位元，設定 ORD 高電位為使用 Open Drain (取代 INTPOL) 低電位為使用 Active Driver (必須設定 INTPOL) 第1位元，設定 INTPOL 高電位為上升沿低電位為下降沿第0位元，無效
GPPU	通用目的輸入輸出上拉電阻暫存器 (General Purpose Input/Output Pull-Up Resistor Register) 當 Port引腳設定為輸入時，可以啟動 100KΩ 的上拉電阻高電位為啟動上拉電阻，低電位為取消上拉電阻
INTF	中斷標示暫存器 (Interrupt Flag Register) 反映 Port引腳的中斷條件高電位為引起中斷，低電位為未指定中斷條件
INTCAP	中斷擷取暫存器 (Interrupt Captured Register) 反映中斷擷取的邏輯電位
GPIO	通用目的輸入輸出暫存器 (General Purpose Input/Output Register) 當 Port引腳為輸入時，啟動內部上拉電阻連接當 Port引腳為輸出時，便會透過 Port引腳輸出電位訊號
OLAT	輸出鎖存暫存器 (Output Latch Register) 反映輸出鎖存的邏輯電位

眾多指令中，唯一 IOCON 不需要區分 Port A 及 Port B
雖然有很多指令，但在下最常用主要只是 IODIR 及 GPIO

8位元模式

8位元模式使用第4位元區分，低電位為 Port A ，高電位為 Port B

D4	D3	D2	D1	D0	Port A	Port B	指令
#	0	0	0	0	0x00	0x10	IODIR
#	0	0	0	1	0x01	0x11	IPOL
#	0	0	1	0	0x02	0x12	GPINTEN
#	0	0	1	1	0x03	0x13	DEFVAL
#	0	1	0	0	0x04	0x14	INTCON
#	0	1	0	1	0x05	0x15	IOCON
#	0	1	1	0	0x06	0x16	GPPU
#	0	1	1	1	0x07	0x17	INTF
#	1	0	0	0	0x08	0x18	INTCAP
#	1	0	0	1	0x09	0x19	GPIO
#	1	0	1	0	0x0A	0x1A	OLAT

16位元模式

16位元模式使用第0位元區分，低電位為 Port A ，高電位為 Port B

D4	D3	D2	D1	D0	Port A	Port B	指令
0	0	0	0	#	0x00	0x01	IODIR
0	0	0	1	#	0x02	0x03	IPOL
0	0	1	0	#	0x04	0x05	GPINTEN
0	0	1	1	#	0x06	0x07	DEFVAL
0	1	0	0	#	0x08	0x09	INTCON
0	1	0	1	#	0x0A	0x0B	IOCON
0	1	1	0	#	0x0C	0x0D	GPPU
0	1	1	1	#	0x0E	0x0F	INTF
1	0	0	0	#	0x10	0x11	INTCAP
1	0	0	1	#	0x12	0x13	GPIO
1	0	1	0	#	0x14	0x15	OLAT

MCP23017 電路

電路原型

使用 MCP23017 來測試電路

測試效果
光度非常充足，即使 64格 LED 全亮著都有合理的光度

測試程式碼

#include <Wire.h>

byte address = 0x20;

void set(byte address, byte reg, byte data) {
    Wire.beginTransmission(address);
    Wire.write(reg);
    Wire.write(data);
    Wire.endTransmission();
}

void setup() {
    Wire.begin();
    set(address, 0x00, 0x00);
    set(address, 0x01, 0x00);
}
 
void loop() {
    for (byte r = 0; r < 8; r++) {
        // anodes
        set(address, 0x13, ~0x00);
        set(address, 0x12, 1 << r);
        for (byte c = 0; c < 8; c++) {
            // cathodes
            set(address, 0x13, ~(1 << c));
            delay(100);
        }
    }
}

總結

2粒 PCF8574* 理論上與 1粒 MCP23017 同樣提供 16位元輸入輸出
但 PCF8574* 比較佔據空間，共有32支引腳，亦需要較多線路接駁，還要保存兩組控制地址
不過 PCF8574* 成本則比較少，而且 PCF8574 很多模組板或測試板，使用上亦比較方便
而且 PCF8574* 的訊號及操作比較簡單

MCP23017 最高速度為 1.7Mhz ，而 PCF8574* 只有 100Khz ，快 17倍
而且只需要 8個地址，便可以擴展至 128位元，較少地址亦可以減少電路數量
另外還可以保持電壓穩定，對於控制輸出顯示等電子裝置效果更好
如果正式作為擴展器使用，在下建議使用 MCP23017

參考資料

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