MCP23017 — как добавить порты к микроконтроллеру?

Что это за прибор

Логика работы с прибором простая и целиком программная. Направление каждого вывода задаётся битом в регистре направления, состояние входа читается из регистра ввода, инверсия логического уровня настраивается отдельно, и всё это меняется на ходу — то есть один и тот же вывод может работать входом в одном режиме работы и выходом в другом, без перепайки.

Встроенные подтяжки нужны для выводов, работающих входом с открытым коллектором: без них линия висит в неопределённом состоянии. Их наличие избавляет от лишних внешних резисторов, но задаёт сопротивление 100 кОм, которое для длинных линий или быстрых фронтов может оказаться слишком большим — тогда подтягивают внешним резистором, а встроенный отключают.

Прерывания — то, ради чего прибор чаще всего и берут. Каждый порт имеет свой выход прерывания, и когда состояние любого вывода настроенного на вход порта меняется, прибор сигнализирует об этом микроконтроллеру, а тот уже читает регистр состояния и определяет, какой именно вывод сработал. Такой подход снимает необходимость опрашивать все выводы по таймеру, что экономит и время микроконтроллера, и ток.

Дополнительно прибор запоминает состояние порта в момент возникновения прерывания, и это позволяет отличить изменение от состояния, которое уже было до обработки. Сами линии прерывания работают с открытым коллектором, что даёт возможность повесить на одну линию прерывания сразу несколько приборов.

Распиновка и конфликт адресов

В корпусе на 28 выводов выводы порта B занимают первые восемь позиций, дальше идут питание, выводы I2C, выводы выбора адреса, сброс, линии прерывания и порт A. Два вывода — позиции 11 и 14 — у этого прибора не используются: в родственной микросхеме с интерфейсом SPI MCP23S17 на их месте стоят вывод выбора кристалла CS и выход данных SO, и при замене одного прибора на другой разводку проверяют.

Собственно конфликт адресов — это то, из-за чего прибор чаще всего и попадает в закупку как «расширитель на 16 выводов», а на плате потом не работает. Диапазон 0x20–0x27 одинаков у MCP23017, MCP23018, PCF8574 и PCF8575, а датчик освещённости BH1750 занимает 0x23 внутри этого же диапазона. Если на плате нужны и расширитель, и датчик, вариантов три: сдвинуть адрес расширителя выводами A0–A2, если свободен хотя бы один адрес в диапазоне; поставить мультиплексор I2C; либо выбрать расширитель из другого адресного поля.

Это ровно тот случай, для которого выпускаются мультиплексоры I2C на восемь каналов: один такой прибор разводит восемь устройств с одинаковым адресом по отдельным ветвям шины, и на каждой ветке адрес снова может совпадать. Подход с расширителями на разных адресах проще, но исчерпывается восемью устройствами, а подход с мультиплексором снимает ограничение, оставляя за собой единственный адрес на шине.

Что изменилось в выводах GPA7 и GPB7

В редакции паспорта 2022 года у прибора убрана функция входа у двух выводов — GPA7 и GPB7. Раньше они работали как полноценные выводы порта, а теперь это только выходы. Для большинства схем, где на этих выводах стоят светодиоды или силовые ключи, ничего не меняется, и прибор даже выигрывает в том, что выход нельзя случайно «замкнуть» внешним устройством.

Но схема, где на седьмом выводе порта был вход — кнопка, концевик, датчик с открытым коллектором, — после такой правки перестаёт видеть внешний сигнал. При этом внешне всё исправно: прибор отвечает по шине, читается, остальные выводы работают, и диагностика уводит в сторону программы. Поэтому при проверке партии или при переходе на новую ревизию паспорта этот вывод стоит проверить отдельно, а не по общему признаку «прибор отвечает».

Второе следствие того же изменения — вход на этих выводах больше не подтягивается внутренним резистором так, как раньше, и настройки режима ввода для них не имеют смысла.

Что проверять при заказе

1. 01 Адресное поле 0x20–0x27: проверяют, не занято ли нужное место другим прибором или датчиком BH1750 на 0x23.
2. 02 Питание 1,8–5,5 В: у части копий паспорта ошибочно указан диапазон от 2,7 В.
3. 03 Корпус: SOIC-28, PDIP-28, QFN-28 или TSSOP-28 — под каждый своя разводка.
4. 04 Ревизия паспорта: в редакции 2022 года GPA7 и GPB7 работают только на выход.
5. 05 Выводы 11 и 14 у MCP23017 не используются, но у SPI-версии MCP23S17 на их месте вывод выбора кристалла и выход данных.
6. 06 Потребление по выводам: 25 мА на вывод и не более 150 мА суммарно в землю.

Частые вопросы

• Сколько выводов у MCP23017 — 16, два порта по восемь.
• Какие адреса — от 0x20 до 0x27, выбираются выводами A0, A1, A2.
• Сколько приборов на одной шине — до восьми, всего 128 выводов.
• Конфликтует ли с PCF8575 — да, адресное поле совпадает полностью, и BH1750 на 0x23 тоже пересекается.
• Какое питание — от 1,8 до 5,5 В.
• Можно ли использовать GPA7 и GPB7 как входы — в редакции паспорта 2022 года нет, только выход.