嵌入式 IO 扩展实战：I2C PCF8574 扩展 8 路 IO 的完整指南

为什么需要 IO 扩展？

嵌入式开发中，MCU 的 GPIO 数量往往受限于封装和成本，尤其是在驱动多个 LED、按键、继电器或读取拨码开关时，引脚资源瞬间告急。I2C 总线仅需 SDA 和 SCL 两根线，即可挂载多个外设，而 PCF8574 作为 I2C 转 8 位准双向 IO 的经典芯片，成为嵌入式 IO 扩展的首选方案。

PCF8574 核心原理

PCF8574 内部包含一个 I2C 从机接口、一个 8 位准双向 IO 端口（P0~P7）以及一个输出锁存器。其工作模式如下：

输出模式：向器件写入一个字节，该字节被锁存到输出端口，驱动外部负载（如 LED、继电器）。
输入模式：先向器件写入 0xFF（使所有引脚为高电平），然后读取端口，即可获得外部电平状态（如按键按下为低电平）。
准双向特性：每个引脚内部有上拉电阻，输出高电平时可驱动微弱负载，输出低电平时可吸收较大电流（如灌电流驱动 LED）。

I2C 地址：PCF8574 的地址由 A0~A2 引脚决定，默认地址为 0x20（若 A0~A2 均接地）。地址格式为 0100 A2 A1 A0，因此可挂载 8 个器件，扩展 64 路 IO。

硬件连接

以 STM32F103 为例，连接如下：

VCC → 3.3V（或 5V，注意电平匹配）
GND → GND
SDA → PB7（I2C1 数据线）
SCL → PB6（I2C1 时钟线）
A0~A2 → GND（地址 0x20）
P0~P7 → 外设（如 LED 串联 220Ω 电阻到 VCC，或按键一端接 GND）

注意：若 MCU 为 3.3V，PCF8574 可工作于 2.5~6V，但 I2C 上拉电阻需接至 MCU 的 VCC，防止电平冲突。

驱动代码实现（以 STM32 HAL 库为例）

1. I2C 初始化

使用 STM32CubeMX 配置 I2C1，速率 100kHz（标准模式），然后生成代码。

2. PCF8574 基本读写函数

#include "i2c.h"

#define PCF8574_ADDR 0x20  // 默认地址，注意左移一位为 0x40

// 写 8 位数据到 PCF8574
void PCF8574_Write(uint8_t data) {
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, (PCF8574_ADDR << 1) | 0, &data, 1, 100);
}

// 从 PCF8574 读取 8 位数据
uint8_t PCF8574_Read(void) {
    uint8_t data = 0;
    HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, (PCF8574_ADDR << 1) | 1, &data, 1, 100);
    return data;
}

// 设置某一位输出高/低电平
void PCF8574_SetPin(uint8_t pin, uint8_t level) {
    static uint8_t current = 0xFF;  // 保存当前输出状态
    if (level) {
        current |= (1 << pin);
    } else {
        current &= ~(1 << pin);
    }
    PCF8574_Write(current);
}

3. 应用示例：控制 LED 和读取按键

// 初始化：所有引脚输出高电平（LED 熄灭，因为 LED 接 VCC，低电平点亮）
void PCF8574_Init(void) {
    PCF8574_Write(0xFF);
}

// 点亮 P0 上的 LED（低电平有效）
void LED_On(void) {
    PCF8574_SetPin(0, 0);
}

// 读取 P4 上的按键（按下为低电平）
uint8_t Key_Read(void) {
    uint8_t val = PCF8574_Read();
    return (val & (1 << 4)) ? 1 : 0;  // 返回 1 表示未按下，0 表示按下
}

// 主循环示例
void main_loop(void) {
    PCF8574_Init();
    while (1) {
        if (Key_Read() == 0) {
            LED_On();
        } else {
            PCF8574_SetPin(0, 1);  // 熄灭
        }
        HAL_Delay(10);
    }
}

注意事项与常见坑

地址左移：HAL 库的 HAL_I2C_Master_Transmit 需要 8 位地址，其中最低位为读写位，因此必须将 7 位地址左移一位。例如 0x20 左移后为 0x40（写），0x41（读）。
准双向 IO 的输入模式：读取前必须先写 0xFF，否则引脚可能输出低电平，导致读到的电平不准确。
上拉电阻：PCF8574 内部有弱上拉（约 100μA），但驱动 LED 时建议使用灌电流方式（LED 接 VCC，引脚输出低电平点亮），避免高电平驱动能力不足。
电平匹配：若 MCU 为 5V，PCF8574 可直接供电 5V；若 MCU 为 3.3V，建议 PCF8574 也使用 3.3V，并确保 I2C 上拉电阻接至 3.3V。
速度限制：I2C 标准模式 100kHz 下，切换 IO 的速率有限，不适合高频 PWM 信号，但用于按键、LED 等低速场景绰绰有余。
多器件扩展：通过 A0~A2 可挂载多个 PCF8574，但需确保每个地址唯一，且 I2C 总线长度和电容符合规范。

总结

PCF8574 是嵌入式 IO 扩展的经典方案，仅需两根线即可获得 8 路 IO，且代码简单、成本低廉。通过本文的驱动示例，你可以快速集成到自己的项目中。记住关键点：地址左移、输入前写 1、灌电流驱动，即可避免大部分问题。希望这篇指南能帮你轻松突破 IO 瓶颈！