Megaekspander I/O

Poniedziałek, 01 Sierpień 2022

Moduł będzie ratunkiem w takich sytuacjach, w których zabrakło cyfrowych linii GPIO w Arduino, Raspberry Pi, STM32 itd. Dzięki użyciu magistrali I²C i rozszerzonej adresacji, bazowe 48 wyprowadzeń może zostać rozbudowane poprzez dołożenie kolejnych modułów do niebagatelnej liczby 3072 GPIO, co powinno wystarczyć nawet w najbardziej złożonych systemach automatyki domowej.

Podstawowe parametry:

ekspander umożliwia rozbudowę aplikacji o sześć ośmiobitowych quasi-dwukierunkowych portów cyfrowych GPIO,
linie GPIO mogą być obciążone prądem do 25 mA w stanie niskim,
korzysta z magistrali I²C,
zastosowano trzy zworki umożliwiające łatwe ustalenie adresu,
może być zasilany napięciami z zakresu 3,15...5,5 V.

W układzie zastosowano układ PI4IOE5V96248 (Diodes/Pericom), który umożliwia rozbudowę aplikacji o sześć ośmiobitowych quasi-dwukierunkowych portów cyfrowych GPIO. Schemat wewnętrzny układu PI4IOE5V96248 został pokazany na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat wewnętrzny układu PI4IOE5V96248

Budowa i działanie

Schemat modułu został pokazany na rysunku 2. Oprócz układu U1 typu PI4IOE5V96248, w układzie zastosowano trzy zworki AD0...AD2 umożliwiające ustalenie adresu. Pełna adresacja U1 umożliwia zastosowanie do 64 układów na jednej magistrali. Skróconą adresację zaprezentowano w tabeli 1, pełna lista ze względu na objętość zamieszczona jest w dokumentacji dołączonej do materiałów dodatkowych.

Rysunek 2. Schemat modułu ekspandera IO

Sygnały sześciu portów GPIO wraz z zasilaniem doprowadzone są do złączy IO0...IO5. Magistrala I²C wyprowadzona jest na złącza I²CA...I²CC w standardzie SIP 2,54 mm, JST 2,00 mm i Grove. Dodatkowo na złącze I²CA i I²C wyprowadzono sygnał przerwania U1. Złącze I²C typu IDC6 może służyć do wygodnego kaskadowego łączenie modułów taśmą IDC 1:1. Układ U2 zapewnia poprawny restart układu po włączeniu zasilania.

Wyjścia GPIO układu U1 mogą być obciążone prądem do 25 mA w stanie niskim, co umożliwia bezpośrednie sterowanie LED przy całkowitym prądzie zasilania nieprzekraczającym 1200 mA. Moduł może być zasilany napięciami z zakresu 3,15...5,5 V. Po włączeniu zasilania wszystkie GPIO ustawione są jako wejścia w stanie wysokim.

Rysunek 3. Sekwencyjny odczyt portów GPIO

Rysunek 4. Sekwencyjny zapis portów GPIO

Odczyt stanu wejść na magistrali I²C odbywa się sekwencyjnie zgodnie z rysunkiem 3. Podobnie jak w PCF8574, po zmianach kierunku GPIO należy pamiętać o ustawieniu stanu wysokiego na odpowiadającym wyprowadzeniu przed odczytem jego stanu. Podobnie w przypadku wyjść, ustawienie portów odbywa się sekwencyjnie, zgodnie z rysunkiem 4.

Rysunek 5. Schemat płytki PCB

Liczba wysyłanych bajtów nie jest ograniczona, ale po każdych sześciu układ nadpisuje wcześniejsze dane. Należy zwrócić na to uwagę podczas obsługi magistrali I²C. Wyprowadzenia wyjściowe GPIO posiadają aktywne podczas zmiany stanu na wysoki układy podciągania, które umożliwiają poprawę szybkości narastania zboczy, w przypadku dużego obciążenia GPIO.