I2C-модуль PCF8574 для LCD: два провода вместо шести

Метеостанцию на Nano я собирал на пределе пинов: под фоторезистор и датчик климата ушли почти все свободные линии, а дисплею по классической схеме нужны ещё шесть сигнальных — RS, E и четыре линии данных. Я уже примерялся перекинуть всё на Mega, пока не присмотрелся к синей платке размером с ноготь, напаянной сзади дисплея: переходник на чипе PCF8574, четыре провода вместо восьми. Экран завёлся за десять минут, и вечер освободился под настоящую работу.

Этот урок — про тот самый чип. Разберём, что делает PCF8574 внутри переходника, где на плате живёт подсветка, почему выходы чипа не конфликтуют с линиями данных дисплея и откуда берётся знаменитая развилка 0x27 против 0x3F. Схема подключения проста до скучности — четыре провода, как в первом уроке про текст по I2C; интереснее другое: что происходит на дорожках между Arduino и стеклом.

Понимание начинки экономит время дважды. Первый раз — когда экран молчит и надо быстро понять, виноват ли чип, адрес или подсветка. Второй — когда на шине появляется второй I2C-потребитель, и адреса приходится разводить. Обе истории у меня были, обе разберу по пути. И третья — вечный спор «I2C или параллельная»: к концу урока у вас будет критерий выбора, а не вера в статью.

PCF8574 — восьмибитный расширитель портов с интерфейсом I2C. Внутри — регистр выходов на восемь ножек P0–P7: чип слушает шину, получает байт и выставляет его на ножки. Дисплею в четырёхбитном режиме нужно ровно шесть сигнальных линий — их и раздают выходы расширителя, а седьмой обслуживает подсветку. Никакого «драйвера дисплея» внутри нет: PCF8574 — просто удалённые пины, до которых можно дотянуться двумя проводами SDA и SCL. Подтяжки шины уже стоят на модуле, отдельные резисторы не нужны — втыкайте четыре провода, подавайте питание и пишите код.

Скорость обмена честная, но не бездонная. Шина I2C на Uno работает на 100 кГц, каждый символ дисплея в четырёхбитном режиме — это несколько байтов по шине, и полная перерисовка экрана 16x2 занимает порядка 10–15 мс. Для показаний, меню и бара из предыдущего урока запас огромный: обновление раз в 100–200 мс выглядит мгновенно. Бегущие строки и анимации уже упираются в шину — если экран должен перерисовываться по двадцать раз в секунду, честнее вернуть параллельную схему из урока про шесть проводов. Моё правило: статичные показания — I2C, кино — провода. И следствие из физики: чем короче четыре провода, тем стабильнее шина — раскинутые по макетке полметра дают редкие сбои, держите их короткими.

Бит P3 — самый интересный. Подсветка дисплея тянет 20–30 мА, а выход PCF8574 устроен хитро — квазидвунаправленный: в состоянии нуля он уверенно принимает ток, а в состоянии единицы отдаёт лишь сотни микроампер. Поэтому светодиод подсветки вешают не на ножку чипа, а на транзисторный ключ на плате, и бит P3 лишь переключает этот ключ. Отсюда и практическое правило: к выходам PCF8574 не подключают нагрузку вроде реле или зуммера — для этого собирают транзисторный каскад, чип создан для сигналов, а не для тока.

Второе следствие слабого источника — линии данных дисплея для чипа безопасны: входы HD44780 высокоомные и тока практически не потребляют. А вся печать через библиотеку — это серия байтов в регистр PCF8574 с переключением RS и стробированием E, и все они уходят по двум линиям шины, устройство которой мы разбирали в уроке про I2C. Библиотека LiquidCrystal_I2C — тонкая обёртка над этими байтами, никакой магии.

Почему хватает четырёх линий данных? HD44780 умеет и восьмибитный обмен, но переходники используют четырёхбитный режим: байт уходит в два приёма, сначала старший полубайт, затем младший, а между ними библиотека дёргает строб E. Расширитель как раз восьмибитный, и его байт раскладывается без остатка: P4–P7 под данные, P0–P2 под управление, P3 под подсветку. Для вас это остаётся невидимым — но именно отсюда берётся упомянутое замедление: каждый символ дисплея это два полубайта и несколько байтов шины. Скорость при этом падает не в разы, а на проценты: выигрыш в экономии пинов обычно стоит дороже лишнего полубайта.

У чипа три адресных входа A0–A2: их уровень добавляет единицы к базовому адресу. На переходниках эти входы подтянуты к единице, поэтому готовые модули отвечают по крайнему адресу своего семейства: базовый PCF8574 занимает диапазон 0x20–0x27 и с подтяжками отвечает по 0x27, родственный PCF8574A — 0x38–0x3F, то есть 0x3F. Внешне чипы не отличить, разница прячется в суффиксе T или AT маркировки — и половина «мёртвых» дисплеев с форумов это скетч с 0x27 на модуле с 0x3F.

Единственный честный способ узнать адрес — спросить шину. Сканер из урока про адреса I2C перебирает адреса от 8 до 119 и печатает, кто ответил; этот же приём потом пригодится и для OLED-экранов. Найденный адрес подставляется первым аргументом в конструктор библиотеки — о самой библиотеке поговорим в соседнем уроке. Если на вашей плате есть незапаянные площадки A0–A2, замыкание их на землю меняет соответствующие биты адреса — пригодится для второго дисплея на шине.

В тренажёре кнопка на D2 запускает «сканирование», а тумблер на D3 играет партию чипа: внизу — PCF8574T с адресом 0x27, вверху — PCF8574AT с 0x3F. Дисплей собирается сам из кода скетча — конструктор LiquidCrystal_I2C движок понимает напрямую, отдельный компонент для экрана не нужен. Перекиньте тумблер, нажмите кнопку — и увидите оба варианта ответа шины, ровно как при прогонах сканера на двух партиях модулей.

На реальной плате результат сканера — те же строки «Adres: 0x3F», только в Serial-мониторе. Дальше адрес переезжает в конструктор, и экран оживает; если хочется пространства побольше, тот же переходник работает и с панелями 20x4 — только не забудьте про раскладку строк из урока про адресацию 20x4. Питание переходника — 2,5–6 В, но сама панель обычно рассчитана на 5 В: на 3,3-вольтовых платах модули заводятся через раз и контраст плывёт, так что на Uno берите 5V без вариантов. И на всякий случай: ручка контраста никуда не делась, она и на I2C-модулях стоит синим кубиком — об этом помнит урок про V0. Кстати, ручка в этой симуляции не завелась намеренно: I2C-дисплей занимает A4 и A5, и аналоговые входы лучше держать свободными — потому макетка и собрана на цифровых пинах.