MCP23017: 16 дополнительных пинов по двум проводам

Пульт для аквариумного шкафа я задумал красивый: восемь кнопок и восемь светящихся клавиш, как на кассовом аппарате. Посчитал пины и поморщился: шестнадцать только на панель, а у Uno их двадцать, из которых половина занята — шина на A4/A5, экран, пищалка. Расширитель PCF8574 из урока про расширитель портов дал мне восемь пинов, и я честно припаял вторую микросхему на соседний адрес. Две микросхемы, два стиля общения, и в каждой пайке — шанс на соплю, а считал я пины уже после пайки — порядок действий, который я не рекомендую.

А потом всплыла грабля, о которой я знал, но недооценил. На PCF8574 светодиод включается нулём: верхний ток пина слабый, сотни микроампер, и «зажечь единицей» он не может физически — анод приходится тянуть к питанию, а пин прижимать к земле. Для восьми светодиодов это вылилось в перевёрнутую логику по всему коду и пару часов на поиски того самого светлячка, который горел при выключенном пульте. Кнопки при этом читались только через внешние резисторы: у чипа нет регистра подтяжек.

MCP23017 решает обе беды и экономит место на плате: одна микросхема даёт шестнадцать полноценных пинов GPIO с регистрами направлений, встроенными подтяжками и выходами, которые толкают и вверх, и вниз. В этом уроке раскатаем карту его регистров, соберём типовой проект «8 кнопок плюс 8 светодиодов на одном чипе» и честно сведём счёт с PCF8574 в таблице — где старый знакомый всё ещё хорош, а где давно пора переехать.

У PCF8574 нет регистра направлений — пины работают по принципу квази-направлений. Записали в порт единицу — пин подключился к питанию через слабый внутренний источник тока, порядка сотни микроампер: такой пин безболезненно придавливается к земле кнопкой и потому может служить входом. Записали ноль — пин намертво прижат к земле и тянет до двух с половиной десятков миллиампер. Отсюда и перевёрнутые светодиоды, и внешние подтяжки для кнопок, и вилка адресов ровно та же, 0x20-0x27. Мы продирались через эти особенности в уроке про кнопки и реле на PCF8574.

MCP23017 устроен по-взрослому: внутри два восьмибитных банка — GPA0-GPA7 и GPB0-GPB7, и на каждый банк своя пара регистров: направление, подтяжки, выходная защёлка. Выходы симметричные — светодиод можно включить любой полярностью через обычный резистор в 220-330 Ом. Скорость шины тоже другая лига: чип держит до 1,7 МГц при пятитивольтовом питании, тогда как PCF8574 останавливается на 100 кГц. Для панели из кнопок это неважно, а вот для бегущей строки или матрицы — заметно.

Адреса у чипов общие: MCP23017 занимает 0x20-0x27 в зависимости от трёх ножек A0, A1 и A2: каждая на землю или на питание даёт свой бит адреса. Если на шине уже живёт PCF8574 на 0x20, разведите их по адресам или случайно получите двух жильцов в одной квартире; вилка адресов всего раздела собрана в таблице адресов модулей.

Карта регистров компактная. IODIRA и IODIRB (0x00 и 0x01) задают направления, и здесь сидит первая грабля новичка: единица — это вход, ноль — выход, у многих половина кода написана наоборот. GPPUA и GPPUB (0x0C и 0x0D) включают встроенные подтяжки к питанию порядка 100 кОм на входах — кнопка просто соединяется с землёй, и никакой внешней обвязки. GPIOA и GPIOB (0x12 и 0x13) — чтение фактических уровней пинов и запись в выходы. OLATA и OLATB (0x14 и 0x15) — чтение того, что вы записали в защёлку, независимо от того, что сейчас на пине.

Разница GPIO и OLAT видна на нагруженном выходе: пин задавлен внешней нагрузкой — GPIO покажет правду, OLAT покажет намерение. Для кнопок и светодиодов хватает GPIO, но в диагностике «я же писал единицу» читать OLAT честнее. Общая механика регистров, указатель плюс чтение, разобрана в уроке про карту регистров, а маски для точечных включений битов — в уроке про битовые операции.

Последний персонаж — регистр конфигурации IOCON, в котором живёт бит BANK. При BANK=0 (значение после подачи питания) регистры обеих банков лежат подряд: GPIOA 0x12, GPIOB 0x13, OLATA 0x14, OLATB 0x15, и указатель внутри чипа автоприбавляется — один запрос тянет оба банка сразу. При BANK=1 регистры разъезжаются по половинам, и последовательное чтение ломается. Я всегда оставляю BANK=0 и один раз перепроверяю это чтением двух байт: пришли осмысленные уровни — чип в ожидаемом режиме.

Разводка типового проекта, ради которого чип и берут. Банк A — входы: восемь кнопок, каждая соединяет свой пин GPA с землёй, подтяжки включаются одним байтом в GPPUA, и на макетке не появляется ни одного резистора. Банк B — выходы: восемь светодиодов через резисторы 220-330 Ом, направления прописываются нулями в IODIRB. Вся панель пульта занимает на Arduino два провода шины, и остаётся такой же при расширении до третьей и четвёртой микросхемы.

Чтение панели делается одним ходом: пишем указатель на GPIOA и читаем два байта — первым придёт банк A, вторым банк B; это и есть последовательное чтение при BANK=0. В нажатом состоянии кнопка прижимает пин к земле, так что в прочитанном байте она выглядит нулём — инвертируйте байт, и получите привычную логику «нажата = единица». Светодиоды банка B удобно писать одним байтом в OLATB — он лежит сразу после OLATA, и одна запись зажигает всю восьмёрку разом. Дребезг никуда не делся: механический контакт есть механический контакт, и антидребезг из урока про debounce ставится так же, как на прямых пинах Arduino, просто источник уровней теперь шина.

Ниже — скетч целиком: настройка трёх регистров, чтение обоих банков за один запрос, зеркало кнопок на светодиоды и печать байтов в Serial для отладки. На макетке он поднимается за десять минут и работает годами.

Что здесь честно, а что нет. Микросхемы в движке нет: панель шины пустая, регистры — это три байта-слепка в массивах, и вместо восьми кнопок на банк в сцене их две. Зато логика нулей и единиц подлинная: подтянутый вход читается единицей, нажатый — нулём, инверсия и маски работают ровно так, как они работают в настоящем GPIOA, и светодиод вспыхивает от записи в защёлку, а не от прямой магии. Пощёлкайте кнопки по очереди и подержите обе — OLATB соберёт оба бита, как настоящий банк собрал бы все восемь.

На живой плате к этому проекту напрашиваются две надстройки. Первая — прерывание: MCP23017 умеет дёргать ножку INTA при изменении на любом входе, и панель из восьми кнопок перестаёт сканироваться вообще — тот же механизм слушания вместо опроса, что в уроке про INT-прерывание. Вторая — расширение: третий и четвёртый такие же чипы садятся на соседние адреса, и пульт превращается в пультовую без единого нового провода до Arduino.