原创物联网中常见的I/O扩展电路设计方案_IIC I/O扩展芯片

 2024-9-26 11:21  142 0 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用IIC I/O扩展芯片

在物联网系统中使用IIC（也称为I2C）I/O扩展芯片的原因主要可以归结为以下几点：

1、扩大I/O端口数量

硬件资源限制：许多微控制器（MCU）自带的I/O端口数量有限，但物联网项目往往需要连接大量的传感器、执行器和其他外设。I2C I/O扩展芯片能够通过I2C接口提供额外的I/O端口，从而满足项目需求。
灵活性：通过扩展芯片，设计者可以根据项目需求灵活增加或减少外设连接，而无需更换主控制器。

2、简化布线和连接

减少引脚需求：I2C总线仅需要两根线（SCL时钟线和SDA数据线）即可实现多个设备之间的通信，这大大减少了系统布线的复杂性和成本。
便于管理：通过I2C总线连接的设备可以使用统一的通信协议进行通信，简化了系统的维护和管理工作。

3、提高系统性能

高效通信：I2C协议具有高效的通信机制，能够支持高速数据传输，提高系统的整体性能。
时钟控制：I2C I/O扩展芯片可以控制外部设备的时钟，有助于优化系统的时序控制，提高系统的稳定性和可靠性。

4、降低成本和功耗

减少元件数量：使用I2C I/O扩展芯片可以减少系统中其他类型扩展元件的使用，从而降低整体成本。
低功耗：I2C总线支持低功耗模式，有助于降低系统的整体功耗，延长电池寿命（在便携式或无线物联网设备中尤为重要）。

5、广泛应用场景

传感器网络：在物联网系统中，传感器是不可或缺的组成部分。I2C I/O扩展芯片可以方便地连接各种类型的传感器（如温度、湿度、加速度计等），实现数据的采集和传输。
工业自动化：在工业自动化领域，PLC等控制系统需要与大量外设进行通信。I2C I/O扩展芯片能够满足这一需求，提高工业自动化系统的集成度和可靠性。
智能家居：智能家居系统需要连接和控制各种智能家电和设备。I2C I/O扩展芯片可以扩展智能家居系统的控制能力，实现更多样化的功能。
工业自动化和控制：在工业自动化系统中，经常需要连接和控制大量的传感器、执行器和其他设备。IIC IO扩展芯片可以提供更多的IO端口，以便与这些设备进行通信和控制。例如，它们可以用于读取传感器的数据、控制执行器的动作或与其他工业设备进行交互。
消费电子产品：在消费电子产品中，如智能家居设备、智能音箱、智能手环等，IIC IO扩展芯片也发挥着重要作用。它们可以用于扩展设备的IO接口，以便连接更多的外部设备或传感器。例如，智能音箱可以通过IIC IO扩展芯片连接更多的麦克风或扬声器，提高音频处理的性能和质量。
嵌入式系统：在嵌入式系统中，由于资源限制和成本考虑，微控制器的IO端口数量往往有限。IIC IO扩展芯片可以有效地解决这个问题，为嵌入式系统提供额外的IO端口。这些端口可以用于连接外部设备、扩展系统功能或实现与其他系统的通信。
测试与测量设备：在测试和测量领域，IIC IO扩展芯片可以用于连接各种测试设备和传感器。通过扩展IO端口，测试设备可以获取更多的数据输入，提高测试的准确性和效率。同时，IIC IO扩展芯片还可以用于控制测试过程中的各种设备和参数。
医疗设备：在医疗设备中，IIC IO扩展芯片可以用于连接各种医疗传感器和执行器。例如，在监护仪中，IIC IO扩展芯片可以连接多个生命体征传感器，实时监测患者的血压、心率等生理参数。在医疗机器人中，IIC IO扩展芯片可以控制机器人的运动和操作。

综上所述，IIC（I2C）I/O扩展芯片在物联网系统中扮演着重要角色，它们通过提供额外的I/O端口、简化布线和连接、提高系统性能、降低成本和功耗以及支持广泛应用场景等方式，为物联网系统的设计和实现带来了诸多便利和优势。

IIC I/O扩展芯片定义

IIc接口IO扩展芯片是一种可以为电子设备添加输入输出功能的集成电路，它可以有效提高设备的性能。

IIC 原理

I²C通信协议：I²C是一种串行通信协议，用于连接微控制器及其外围设备。它只需要两根线（SDA数据线和SCL时钟线）即可实现全双工通信，同时还可以连接多个设备到同一总线上。
设备寻址：每个I²C设备都有一个唯一的地址，主控制器通过发送设备的地址来选中并与之通信。I²C扩展IO芯片也具备一个或多个可设置的地址，以便主控制器能够识别并与之通信。
数据传输：在选中特定的I²C设备后，主控制器可以通过I²C总线发送数据到该设备，或者从该设备读取数据。对于I²C扩展IO芯片，主控制器可以发送命令来设置或读取IO端口的电平状态，从而实现对外围设备的控制或监测。
中断机制：许多I²C扩展IO芯片还具备中断功能。当IO端口的电平状态发生变化时，芯片可以产生一个中断信号，通知主控制器进行相应的处理。这样，主控制器可以更加高效地响应外部事件，而无需持续轮询IO端口的状态。
内部寄存器：I²C扩展IO芯片内部通常包含多个寄存器，用于存储IO端口的配置信息、数据等。主控制器可以通过I²C总线访问这些寄存器，以实现对IO端口的控制和管理。

IIC I/O扩展芯片的参数选型

电源电压：确保你的系统电源电压与IO扩展芯片的电源电压兼容。常见的电源电压范围包括1.8V、3.3V、5V等。
IO口数量：根据你的应用需求确定所需的IO口数量。有些IO扩展芯片提供8个、16个或更多的IO口。
IO口类型：考虑你需要的IO口类型，如准双向口、开漏输出等。准双向口既可以作为输入也可以作为输出，而开漏输出则可以用于驱动LED等外部设备。
通信接口：确保IO扩展芯片支持你的主控制器所使用的通信接口，如I²C、SPI等。I²C接口通常使用两根线（SDA和SCL）进行通信，具有简单易用、支持多设备连接等优点。
中断功能：如果你的应用需要实时监测外部设备状态的变化，那么选择具有中断功能的IO扩展芯片将非常有用。当中断引脚被触发时，主控制器可以立即响应并处理相应的事件。
封装和尺寸：根据你的应用需求和电路板空间限制选择合适的封装和尺寸。常见的封装类型包括TSSOP、QFN、SSOP等，尺寸范围也有所不同。
工作温度和功耗：考虑你的应用所在的环境温度和功耗要求。选择具有适当工作温度和低功耗的IO扩展芯片将有助于提高系统的稳定性和可靠性。
其他特性：根据你的应用需求，还可以考虑其他特性，如驱动能力（最大输出电流）、输入/输出电平范围、可编程性（是否支持通过编程来配置IO口）等。

IIC I/O扩展芯片的厂商

NXP Semiconductors（恩智浦半导体）：NXP是全球领先的半导体公司之一，提供广泛的IIC IO扩展芯片产品。其产品线包括PCF8574、PCA9555等，这些芯片具有高性能、低功耗和易用性等特点，广泛应用于各种领域。
Microchip Technology（微芯科技）：Microchip是一家专注于嵌入式控制和混合信号半导体解决方案的供应商。其IIC IO扩展芯片产品包括MCP23017、MCP23S17等，这些芯片具有高集成度、高可靠性和低功耗等特点，适用于工业自动化、消费电子和汽车电子等领域。
Texas Instruments（德州仪器）：德州仪器是一家全球性的半导体设计和制造公司，其IIC IO扩展芯片产品包括TPS2113、TPS2296等。这些芯片具有高性能、高精度和低功耗等特点，广泛应用于电源管理、电机控制和工业自动化等领域。
STMicroelectronics（意法半导体）：意法半导体是一家全球领先的半导体公司，提供广泛的IIC IO扩展芯片产品。其产品线包括VLSI Solution的82C55A等，这些芯片具有高速、高可靠性和低功耗等特点，适用于各种嵌入式系统和工业自动化应用。

此外，还有其他一些厂商也提供IIC IO扩展芯片产品，如Maxim Integrated、Renesas Electronics等。在选择IIC IO扩展芯片时，需要根据具体的应用需求和性能要求来选择合适的厂商和产品。国内也有一些知名的IIC（实际上是I²C，即Inter-Integrated Circuit）IO扩展芯片厂商，以下是一些例子：

中微爱芯：作为中国领先的半导体公司之一，中微爱芯专注于消费电子芯片和小家电芯片的研发。他们的产品可能包括IIC IO扩展芯片，但具体型号和规格可能需要查询其官方渠道。
紫光展锐：紫光展锐是中国集成电路设计和解决方案供应商，他们在移动通信、数字多媒体等领域积累了丰富的经验。虽然他们主要以手机芯片闻名，但他们的产品线可能也涵盖IIC IO扩展芯片。
华大半导体：华大半导体是中国电子信息产业集团有限公司（CEC）旗下的核心企业，是中国“909”工程集成电路项目的重点承担单位。他们提供多种类型的半导体产品，包括可能包含IIC IO扩展芯片的产品。

供应商A：信路达

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：XL9535

对应的产品详情介绍

该IC（XL9535）是一款24引脚CMOS器件，通过I²C总线/SMBus接口[串行时钟线（SCL）、串行数据线（SDA）]为大多数微控制器系列提供16位通用并行输入/输出（GPIO）扩展。这些设备设计用于2.3-V至5.5-V VCC操作。这些改进包括更高的驱动能力、5V I/O容差、更低的电源电流、单独的I/O配置和更小的封装。当ACPI电源开关、传感器、按钮、LED、风扇等需要额外的I/O时，I/O扩展器提供了一个简单的解决方案。当任何输入状态与其对应的输入端口寄存器状态不同时，这些设备开漏中断（/INT）输出被激活，并用于向系统主机指示输入状态已改变。在超时或其他不当操作的情况下，系统主设备可以利用上电重置功能重置这些设备。通电重置将寄存器设置为默认值，并初始化I²C/SMBus状态机。三个硬件引脚（A0、A1和A2）改变固定的I²C总线地址，并允许多达八个设备共享同一I²C总线/SMBus。

功能特点：

I²C总线至16位GPIO扩展器

工作电源电压范围为2.3 V至5.5 V

低待机电流消耗

5 V容错I/O端口

400 kHz快速模式I²C总线时钟频率

SCL/SDA输入上的噪声滤波器

内部通电复位

通电时无故障

极性反转寄存器

开漏有源低中断输出

16个I/O引脚，默认为16个输入