端口扩展器(07-100)

　　在某些应用中，处理器的I/O不够用，需要增加。端口扩展器就是扩展I/O引脚范围的器件。

　　功能

　　端口扩展器是通信总线上的从器件，它们发送串行命令读或写I/O引脚。主处理器（超出I/O引脚范围工作的处理器）是通信总线的主机（图1），不需要专门的功能单元，通过I2C外设单元简化其工作。

　　有简单端口扩展器和具有不同选择性的复杂端口扩展器，但其基本工作是相同的。靠连接引脚为高态或低态调整从器件地址，然后由主机配置，经通信总线写命令确定那些引脚是输入和那些引脚是输出。工作期间，主机写命令改变所希望的输出引脚或读输入引脚的现状态。很多情况下，可配置改变一个输入引脚，用来驱动一个中断线以得到总线主机的注意。

　　端口扩展器的引脚作用像处理器（主机）的附属引脚，扩展其范围使其能与系统中的前面板配合或使能/断开系统中的其他器件。它也可提供另外的保护性能，如连续监控连接到机箱外面的开关并且在开关开路时报警。根据需要可增加引脚。另一方面，开始可以把器件放在板上，如果设计不需要它可以断开I2C总线，不插它。

　　不同厂家提供的端口扩展器性能超出基本引脚范围（图2）。扩展的I/O引脚数是变化的，但是，由于I2C总线上的每个器件必须有1个唯一的地址（7位寻址，第8位指示读或写），所以单个器件可以呈现更多可能的地址，当需要时更多的地址可以挂在总线上。对于每条地址线，牺牲1个可能的I/O引脚。I2C端口扩展器厂家提供的每个器件I/O引脚范围为8个I/O引脚到60个I/O引脚。大多数厂商的器件至少有1条或2条地址线，有些厂商的器件提供7个地址位的设计，让不同的地址线工作如同I/O。

　　I/O引脚驱动模式的选择也随器件而异。高阻抗输入可以在输入选择内部4.7KW上拉或下拉电阻器。对于输出，所有器件可以添加漏极开路/集电极开路选择，具有1个100mA源/25mA吸收选择或内部上拉和下拉电阻器。

　　便于驱动LED的另一性能是脉宽调制器（PWM）。基本的端口扩展器不具有此性能，但几乎所有的端口扩展器供应商有一款或多款器件具有少量PWM。PWM的优点是可以用高频PWM驱动LED，因为占空比可设置LED光亮度（占空比越高，LED点亮时间就越长，看起来就越亮）。PWM另一应用是用低频（0.5Hz~4Hz）PWM闪烁LED。假若配置选择支持PWM而且振荡器是够精确，则PWM可配置为另外器件提供定时的信号。

　　配置

　　一些器件提供串行寻址的EEPPOM。这可替代系统中另外附加功能/附加器件，这有助于板识别或其他配置信息。此存储器的大小对于数据存入是足够的。

　　另一个重要考虑因素是如何配置器件。对于大多数器件，端口扩展器的配置（端口方向，输出状态，PWM）是易失的。每次去电和重新加电，必须设置器件，即总线主机必须重新发送配置数据。比较先进的器件可以把配置存储在端口扩展器的非易失性存储器中，并在上电时自动重新存储。写入器件的上电配置状态不同于现在状态，不干扰现在状态可以确定失效状态，器件保持这种状态直到总线主机/处理器更新器件为止。图3示出采用端口扩展器的器件配置。

　　好处

　　采用端口扩展器有三方面好处：在设计中增加1个I2C端口扩展器使样机变容易；在不需要时可以随时去除设计的I2C端口扩展器；用I2C端口扩展器可降低对处理器引脚的要求。

　　设计的早期，最好不用应用软件来监控和控制系统中的不同器件。可以用一个具有外部有效总线连接的I2C端口扩展器替代处理器和软件来驱动逻辑线或监控逻辑线的状态。在板上用这种简单的器件和相当便宜的PC连接I2C主机，可以在设计中非常容易地处理硬件的调试和验证。另一方面，板上的端口扩展器可做为硬件的测试驱动器，允许工作在不正常状态而包含失效状态的系统通过端口扩展器用PC连接I2C主机。

　　设计的末期，在用尽所选处理器引脚情况下，选择增加一个端口扩展器需要板重新布局。而具有I2C总线连接的端口扩展器可以在设计开始放置在板上。（鲁）