MCP23X08/17 GPIO 擴(kuò)展器的獨(dú)特特性與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，GPIO 擴(kuò)展器是實(shí)現(xiàn) I/O 擴(kuò)展的常用工具，它能借助標(biāo)準(zhǔn)串行接口輕松擴(kuò)展 I/O 端口。今天，我們就來深入探討 Microchip 公司的 MCP23X08/17 GPIO 擴(kuò)展器的獨(dú)特特性和應(yīng)用。

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1. MCP23X08/17 產(chǎn)品概述

MCP23X08 是 8 位 GPIO 擴(kuò)展器，包括支持 (I^{2} C^{TM}) 接口的 MCP23008 和支持 SPI 接口的 MCP23S08；MCP23X17 是 16 位 GPIO 擴(kuò)展器，包括支持 (I^{2} C) 接口的 MCP23017 和支持 SPI 接口的 MCP23S17。雖然它們位數(shù)不同，但功能和特性基本相同。

2. 特性詳解

2.1 I/O 端口描述

I/O 端口具有高度可配置性，以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。通過 IODIR 寄存器可以控制引腳的方向（輸入或輸出），當(dāng) (IODIR = 0) 時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器激活，引腳被驅(qū)動(dòng)到鎖存寄存器（OLAT）中的狀態(tài)；當(dāng) (IODIR = 1) 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。每個(gè)引腳可以有多種配置方式：

• 配置為輸入：輸出驅(qū)動(dòng)器禁用，處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。
• 配置為輸出：輸出驅(qū)動(dòng)器啟用，鎖存器中的值被驅(qū)動(dòng)到引腳上。
• 啟用弱上拉電阻：為引腳提供上拉功能。
• 模擬開漏配置：通過清除輸出鎖存（OLAT）位為零，并使用方向寄存器（IODIR）設(shè)置引腳上的電平。當(dāng)引腳為輸入時(shí)，需要一個(gè)上拉電阻將引腳拉高到電壓。要驅(qū)動(dòng) 0，將引腳配置為輸出（(IODIR = 0)）；要使引腳浮空為 1，將引腳設(shè)置為輸入（(IODIR = 1)）。

2.2 8/16 位模式（僅 MCP23X17）

MCP23X17 具有獨(dú)特的能力，它既可以作為兩個(gè) 8 位 GPIO 擴(kuò)展器，也可以作為一個(gè) 16 位 GPIO 擴(kuò)展器。通過 IOCON.bank 將 16 個(gè) I/O 端口分為兩個(gè)獨(dú)立的 8 位 I/O 端口（端口 A 和端口 B）。

• 8 位模式：端口 A 的寄存器地址范圍是 00h - 0Ah，端口 B 的寄存器地址范圍是 10h - 1Ah。
• 16 位模式：端口 A 和端口 B 的寄存器地址范圍是 00h - 15h，寄存器仍以 8 位端口尋址，16 位映射對始終是偶數(shù)地址。需要注意的是，IOCON 寄存器是兩個(gè)端口共享的，會(huì)同等影響兩個(gè)端口。

2.3 中斷特性

2.3.1 中斷映射

MCP23X08 有一個(gè)中斷引腳，MCP23X17 有兩個(gè)中斷引腳，每個(gè)中斷引腳與一個(gè) 8 位端口相關(guān)聯(lián)。MCP23X17 的中斷引腳可以通過 IOCON.MIRROR 以兩種方式映射：

• 中斷引腳獨(dú)立操作，INTA 反映端口 A 的中斷條件，INTB 反映端口 B 的中斷條件。
• 當(dāng)任一端口發(fā)生中斷時(shí)，兩個(gè)中斷引腳都激活。

2.3.2 中斷極性和開漏

中斷可以配置為三種模式：高電平有效、低電平有效和開漏。通過 IOCON 寄存器中的 INTPOL 和 ODR 位進(jìn)行配置。對于 MCP23X17，INTA 和 INTB 引腳的極性和開漏配置是相同的。

2.3.3 中斷條件

• 引腳狀態(tài)變化中斷：配置為引腳狀態(tài)變化中斷的引腳，當(dāng)引腳狀態(tài)改變?yōu)橄喾礌顟B(tài)時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷。中斷服務(wù)后，默認(rèn)狀態(tài)會(huì)重置。通過讀取 INTCAP 或 GPIO 寄存器可以清除中斷條件，并設(shè)置新的引腳默認(rèn)狀態(tài)。
• 與 DEFVAL 寄存器值變化中斷：配置為與寄存器值變化中斷的引腳，當(dāng)相應(yīng)輸入引腳與寄存器位不同時(shí)會(huì)觸發(fā)中斷。只要條件存在，中斷條件就會(huì)一直保持，無論是否讀取 INTCAP 或 GPIO 寄存器。

2.4 內(nèi)部地址指針控制

MCP23X08/17 系列設(shè)備可以通過配置控制位（IOCON.SEQOP）來選擇是否自動(dòng)遞增內(nèi)部地址指針。這在訪問寄存器時(shí)提供了最大的靈活性。例如，在配置設(shè)備時(shí)，可以允許地址指針自動(dòng)遞增，避免每次字節(jié)操作后重新尋址；而在對寄存器進(jìn)行連續(xù)操作時(shí)，可以禁用地址遞增功能，確保始終訪問同一寄存器而無需重新尋址。

2.5 硬件地址引腳

SPI 接口的 “S” 設(shè)備（MCP23S08 和 MCP23S17）除了使用片選引腳選擇器件外，還具有硬件地址引腳。這使得在總線上連接多個(gè)設(shè)備時(shí)，只需要一個(gè) MCU 引腳用于片選，提高了引腳的使用效率。

3. 總結(jié)

MCP23X08/17 系列 GPIO 擴(kuò)展器具有多種獨(dú)特特性，為系統(tǒng)和模塊工程師在設(shè)計(jì)時(shí)提供了極大的靈活性。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)具體需求合理配置這些特性，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。大家在使用過程中有沒有遇到過什么有趣的問題或者有更好的應(yīng)用案例呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。