《DNESP32P4开发指南_V1.0》第十九章 IIC_EXIO实验

第十九章 IIC_EXIO实验

本章将学习ESP32-P4的硬件IIC接口去驱动IO扩展芯片XL9555，达到扩展IO的目的。在本章节，实现和XL9555之间的双向通信，将使用其IO的输入输出功能。
本章分为如下几个小节：
19.1 IIC及XL9555介绍
19.2 硬件设计
19.3 程序设计
19.4 下载验证

19.1 IIC及XL9555介绍
19.1.1 IIC介绍
IIC（Inter-Integrated Circuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器以及其外围设备。它是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送。
IIC总线有如下特点：
①总线由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，数据线用来传输数据，时钟线用来同步数据收发。
②总线上每一个器件都有一个唯一的地址识别，所以我们只需要知道器件的地址，根据时序就可以实现微控制器与器件之间的通信。
③数据线SDA和时钟线SCL都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电压，所以当总线空闲的时候，这两条线路都是高电平。
④总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s，在快速模式下可达400kbit/s，在高速模式下可达3.4Mbit/s。
⑤总线支持设备连接。在使用IIC通信总线时，可以有多个具备IIC通信能力的设备挂载在上面，同时支持多个主机和多个从机，连接到总线的接口数量只由总线电容400pF的限制决定。IIC总线挂载多个器件的示意图，如下图所示。

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图19.1.1.1 IIC总线挂载多个器件
下面来学习IIC总线协议，IIC总线时序图如下所示：

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图19.1.1.2 IIC总线时序图
为了便于大家更好的了解IIC协议，我们从起始信号、停止信号、应答信号、数据有效性、数据传输以及空闲状态等6个方面讲解，大家需要对应图19.1.1.2的标号来理解。
① 起始信号
当SCL为高电平期间，SDA由高到低的跳变。起始信号是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态，准备数据传输。
② 停止信号
当SCL为高电平期间，SDA由低到高的跳变。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号。该信号由主机发出，在停止信号发出后，总线就处于空闲状态。
③ 应答信号
发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。
观察上图标号③就可以发现，有效应答的要求是从机在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主机接收器发送一个停止信号。
④ 数据有效性
IIC总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。
⑤ 数据传输
在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。
⑥ 空闲状态
IIC总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。
了解前面的知识后，下面介绍一下IIC的基本的读写通讯过程，包括主机写数据到从机即写操作，主机到从机读取数据即读操作。下面先看一下写操作通讯过程图，如下图所示。

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图19.1.1.3 写操作通讯过程图
主机首先在IIC总线上发送起始信号，那么这时总线上的从机都会等待接收由主机发出的数据。主机接着发送从机地址+0（写操作）组成的8bit数据，所有从机接收到该8bit数据后，自行检验是否是自己的设备的地址，假如是自己的设备地址，那么从机就会发出应答信号。主机在总线上接收到有应答信号后，才能继续向从机发送数据。注意：IIC总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。
接着讲解一下IIC总线的读操作过程，先看一下读操作通讯过程图，如下图所示。

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图19.1.1.4 读操作通讯过程图
主机向从机读取数据的操作，一开始的操作与写操作有点相似，观察两个图也可以发现，都是由主机发出起始信号，接着发送从机地址+1（读操作）组成的8bit数据，从机接收到数据验证是否是自身的地址。 那么在验证是自己的设备地址后，从机就会发出应答信号，并向主机返回8bit数据，发送完之后从机就会等待主机的应答信号。假如主机一直返回应答信号，那么从机可以一直发送数据，也就是图中的（n byte + 应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从机才会停止发送数据。

19.1.2 ESP32-P4的IIC介绍
ESP32-P4有三个硬件IIC控制器，主系统两个，而低功耗系统一个。主系统中的两个IIC控制器可以作为主控制器或从控制器，而低功耗系统中的IIC控制器只能作为主控制器。本章节主要针对主系统的IIC控制器作讲解。
ESP32-P4的IIC控制器有以下几个特点：
支持主机模式和从机模式
支持多主机和从机通信
支持标准模式（100 Kbit/s）、快速模式（400 Kbit/s）
支持7位以及10位地址寻址
支持拉低SCL时钟实现连续数据传输
支持可编程数字噪音滤波功能
支持从机地址和从机内存或寄存器地址的双寻址模式
IIC控制器通过GPIO交换矩阵可配置使用任意GPIO管脚。
下面介绍ESP32-P4的IIC主机写入从机，7位寻址，单次命令序列的场景，如下图所示。

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图19.1.2.1 IIC主机写7位寻址的从机
在ESP32-P4硬件IIC控制器中，都有相对应的空间存放相对应的内容。比如上图中，在cmd内存区中存放的是就是命令序列，就比如前面提及到的起始信号、写过程、读过程、停止信号；在RAM内存区中存放的就是某些命令序列携带的内容。
当主机在软件配置好命令序列和RAM数据后，操作寄存器启动数据传输时。控制器的行为可分为以下四步：
1、 等待SCL线位高电平，以避免SCL线被其他主机或者从机占用。
2、 执行RSTART命令发送START位。即发送起始信号。
3、 执行WRITE命令从RAM的首地址开始取出N+1个字节并一次发送给从机，其中第一个字节为地址。这个过程中会产生对应的时序，携带数据进行发送。
4、发送STOP命令，即发送停止信号。

19.1.3 XL9555介绍
XL9555是一款24引脚的CMOS器件，支持IIC总线或SMBus接口进行驱动。XL9555器件是一个16位通用并行输入/输出（GPIO）扩展器，可用其GPIO连接按键、LED、传感器等，解决需要额外的I/O的需求。
XL9555有如下特性：
 IIC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IIC总线时钟频率
 SCL/SDA输入上的噪声滤波器
 内部通电复位
 器件地址由3个硬件地址引脚决定，最多可在总线上挂载8个器件
 中断脚为开漏输出模式（低电平有效）
 16个I/O引脚，默认为16个输入
简单概括一下，XL9555可使用400kHz速率的IIC通信接口与微控制器进行连接，也就是用2根通信线可扩展使用16个IO。XL9555器件地址会由三个硬件地址引脚决定，理论上在这个IIC总线上可挂载8个XL9555器件，足以满足IO引脚需求。XL9555上电进行复位，16个I/O口默认为输入模式，当输入模式的IO口状态发生变化时，即发生从高电平变低电平或者从低电平变高电平，中断脚会拉低。当中断有效后，必须对XL9555进行一次读取/写入操作，复位中断，才可以输出下一次中断，否则中断将一直保持。
XL9555引脚图如下图所示。

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图19.1.3.1 XL9555器件引脚图
XL9555器件总共有24个管脚，分别为电源线VCC、地线GND、GPIO口、通信线、地址线，上图用不同底色标注出来了。16个GPIO分为了2组，一组是8个，分为是P0x和P1x，这些GPIO都可通过器件寄存器进行配置作为输出或者输出使用。通信线就是SDA和SCL，中断线INT也划分过来通信线。而地址线就是A0、A1和A2，用来决定器件地址。

19.1.3.1 XL9555寻址
要进行IIC通信，首先得知道器件地址，XL9555器件地址是7位的，具体格式如下图。

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图19.1.3.1.1 XL9555地址格式
从上图可以知道，XL9555器件地址由两部分组成，一部分就是“Fixed bits”即固定的4位“0100”；另一部分就是“Programmable bits”即可编程的3位“A2 A1 A0”，在硬件上，把A0和A1连接GND，而把A2连接VCC，所以这三位为“100”。最终可得到，XL9555器件地址为“0100100”即0x24。读操作地址就为0x49，即0100 1001；写操作地址就为0x48，即0100 1000。

19.1.3.2 XL9555寄存器介绍
接下来，介绍一下XL9555器件的八个寄存器，如下图所示。

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图19.1.3.2.1 XL9555寄存器
由于在IIC通信中，数据都是以字节作为单位，表示寄存器地址的数据也是1个字节。由于XL9555器件只有八个寄存器，所以这里1个字节用3个位表示，即Table 5中的B2、B1和B0。这8个寄存器都是XL9555器件的16个GPIO进行配置，其实分为4种：输入查询、输出设置、极性翻转和端口配置，每种都有两个寄存器对应的就是P0端口和P1端口。
地址0x00和0x01的寄存器是“Input Port0”和“Input Port1”寄存器，主要用于获取P0和P1的IO输入状态。寄存器如下图所示。

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图19.1.3.2.2 XL9555的Input Port Register详情
该寄存器只反应引脚输入逻辑电平情况，不管IO是设置成输入还是输出模式。打个比方，从0x00地址处（Input Port 0 Register）读出的数据是0x55，以二进制展开为01010101，从高位到低位对应的就是P07~P00的IO状态，P00的输入电平状态就为高电平。
地址0x02和0x03的寄存器是“Output Port0”和“Output Port1”寄存器，主要用于设置P0和P1的IO输出电平。寄存器如下图所示。

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图19.1.3.2.3 XL9555的Output Port Register详情
该寄存器设置的是已经配置成输出模式的IO口的IO输出状态，1代表的是高电平，0代表的都是低电平，配置IO为输出模式的寄存器为Configuration Port寄存器。寄存器的一些位值对已经设置成输入模式的IO口是没有影响的。该寄存器还支持读取，读取到的值只是设置值，并不是实际引脚电平值，实际电平值通过Input Port寄存器查询即可。
地址0x04和0x05的寄存器是“Polarity Inversion Port0”和“Polarity Inversion Port1”寄存器，用于对端口0和端口1进行极性翻转。该寄存器值默认为0，所以对IO电平翻转功能并没有启用，且在本实验也没有用到，所以不做讲解，详细说明可看《XL9555数据手册》P13。
地址0x06和0x07的寄存器是“Configuration Port1”和“Configuration Port0”寄存器，用于配置P0和P1的IO输入/输出模式。寄存器如下图所示。

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图19.1.3.2.4 XL9555的Configuration Port Register详情
该寄存器某一个位设置成1即作为输入模式，设置成0即作为输入模式。打个比方，要向0x06地址处（Configuration Port 0 Register）写入的数据是0x55，以二进制展开为01010101，从高位到低位对应的就是P07~P00的IO配置模式，P00、P02、P04、P06这四个IO口即配置为输入模式，而P01、P03、P05、P07这四个IO口配置为输出模式。XL9555上电复位后，所有IO口默认都是输入状态，即上图这两个寄存器读出来的值都是0xFF。

19.1.3.3 XL9555时序介绍
ESP32-S3是通过IIC总线跟XL9555进行通信的，对XL9555相关寄存器进行写入配置，对其16个IO进行使用。这里的时序主要就是写寄存器时序和读寄存器时序，我们一一介绍。
写寄存器时序

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图19.1.3.3.1 单字节写入到寄存器时序图
上图中展示的是主机将单字节写入到寄存器的时序，主机在IIC总线发送第1个字节的数据为XL9555的写操作地址0x40（设备地址0x20 << 1 | 0），用于寻找总线上找到XL9555，在获得XL9555的应答信号之后，继续发送第2个字节数据，该字节数据是XL9555的寄存器地址，再等到XL9555的应答信号，主机继续发送第3字节数据，这里的数据即是写入在第2字节寄存器地址的数据。主机完成写操作后，可以发出停止信号，终止数据传输。
在《XL9555数据手册》P16中，还提供有对Output Port寄存器组(0x02和0x03)的写时序图，简单来说，就是在一个时序中，把两个寄存器都进行设置，大家自行去查看。当然用单字节写入寄存器时序也可完成配置，只不过是需要一个一个寄存器进行配置，这样子的配置过程更为清晰明了。
读寄存器时序

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图19.1.3.3.2 单字节读取寄存器时序图
上图中展示的是主机从寄存器中读取一个字节数据的时序图。XL9555读取数据的过程是一个复合的时序，其中包含写时序和读时序。先看第一个通信过程，这里是写时序，起始信号产生后，主机发送XL9555的写操作地址0x48（设备地址0x24<< 1 | 0），获取从机应答信号后，接着发送需要读取的寄存器地址；在读时序中，起始信号产生后，主机发送XL9555的读操作地址0x49（设备地址0x24 << 1 | 1），获取从机应答信号后，接着从机返回刚刚在写时序中寄存器地址的数据，以字节为单位传输在总线上，主机接收到寄存器的数据后，发出非应答信号并以停止信号结束通信过程。
假如主机获取数据后返回的是应答信号，那么从机会一直传输数据，即把往后寄存器的数据也发送到总线上，这就是《XL9555数据手册》P17中从寄存器中读取多个字节的时序，大家可自行去查看。

19.2 硬件设计
19.2.1 例程功能
通过按下KEY0~2按键来控制蜂鸣器和LED灯开关状态，KEY0打开LED1和BEEP；KEY1关闭LED1；KEY2关闭BEEP。

19.2.2 硬件资源
1）LED灯
LED 0 - IO51
2）XL9555
IIC_INT - IO36
IIC_SDA - IO33
IIC_SCL - IO32
EXIO_0 - BEEP
EXIO_8 - KEY0
EXIO_9 - KEY1
EXIO_10 - KEY2
EXIO_13 - LED1

19.2.3 原理图
XL9555器件相关原理图，如下图所示。

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图19.2.3.1 XL9555硬件原理图
从上图可知，ESP32P4开发板对XL9555器件16个IO口的设计情况。EXIO_0EXIO_5、EXIO_7和EXIO_13被用作输出IO，而EXIO_8EXIO_12被用作输入IO，EXIO6、EXIO14和EXIO15作为未使用IO。
本实验主要就是用到XL9555器件的5个IO，分为EXIO_0（BEEP）、EXIO_8（KEY0）、EXIO_9（KEY1）、EXIO_10（KEY2）和EXIO_13（LED1）。

19.3 程序设计
19.3.1 IIC的IDF驱动
IIC外设驱动位于ESP-IDF下的components/esp_driver_i2c目录下。使用IIC功能，必须先导入以下头文件：

#include "driver/i2c_master.h"

接下来，作者将介绍一些常用的函数，这些函数的描述及其作用如下：
1，IIC总线初始化函数i2c_new_master_bus
该函数用于初始化IIC总线，其函数原型如下：

esp_err_t i2c_new_master_bus(const i2c_master_bus_config_t *bus_config, 
i2c_master_bus_handle_t *ret_bus_handle);

函数形参：

QQ截图20260424110615

表19.3.1.1 i2c_new_master_bus函数形参描述
函数返回值：
ESP_OK表示IIC总线初始化成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示由于错误参数，IIC总线初始化失败。
ESP_ERR_NO_MEM表示由于内存不足，IIC总线创建失败。
ESP_ERR_NOT_FOUND表示没有空闲的IIC总线 。
bus_config为指向IIC总线配置结构体指针。接下来，笔者将介绍i2c_master_bus_config_t结构体中各个成员，如下代码所示：

typedef struct {
    i2c_port_num_t i2c_port;					/* IIC端口 */
    gpio_num_t sda_io_num;						/* SDA管脚 */
    gpio_num_t scl_io_num;     					/* SCL管脚 */
    union {
        i2c_clock_source_t clk_source;			/* 时钟源 */
#if SOC_LP_I2C_SUPPORTED
        lp_i2c_clock_source_t lp_source_clk; 	/* 低功耗IIC外设时钟源 */
#endif
    };
    uint8_t glitch_ignore_cnt;            		/* 总线的故障周期阈值 */
    int intr_priority;                    		/* IIC中断优先级 */
    size_t trans_queue_depth;            		/* 内部传输队列的深度 */
    struct {
        uint32_t enable_internal_pullup: 1;  	/* 启用内部上拉 */
    } flags; 									/* 配置标记 */
} i2c_master_bus_config_t;						/* IIC主机总线配置 */

i2c_master_bus_config_t结构体用于配置IIC总线各种参数，以下对各个成员做的简单介绍。
1）i2c_port：
设置IIC控制器使用的IIC端口号，可选I2C_NUM_0或I2C_NUM_1。
2）sda_io_num：
IIC总线的SDA引脚。
3）scl_io_num：
IIC总线的SCL引脚。
4）clk_source：
IIC总线选择源时钟。
5）glitch_ignore_cnt：
IIC总线的故障周期，若线上的故障周期小于此值，便可过滤，通常为7。
6）intr_priority：
IIC的中断优先级。
7）trans_queue_depth：
内部传输队列的深度，仅在异步事务中有效，可不进行配置。
8）enable_internal_pullup：
启用内部上拉，建议在高速通信时，还是得需要外部上拉。
ret_bus_handle为指向IIC总线句柄结构体的指针，而i2c_master_bus_handle_t结构体保存着IIC总线的信息，由于参数非常多，且在此也不需要了解他的成员，所以不作展开，想要了解可自行搜索查看。

2，添加IIC设备到IIC总线函数i2c_master_bus_add_device
该函数用于设置IIC总设备，并挂载在IIC总线上，其函数原型如下：

esp_err_t i2c_master_bus_add_device(i2c_master_bus_handle_t bus_handle, 
const i2c_device_config_t *dev_config, 
i2c_master_dev_handle_t *ret_handle);

函数形参：

QQ截图20260424110631

表19.3.1.2 i2c_master_bus_add_device函数形参描述
函数返回值：
ESP_OK表示创建IIC从设备成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示由于错误参数，创建IIC从设备失败。
ESP_ERR_NO_MEM表示由于内存不足，创建IIC从设备失败。
bus_handle为IIC总线句柄结构体，前面已经有说明了。
dev_config为指向IIC设备配置结构体的指针，i2c_device_config_t结构体其定义如下：

typedef struct {
    i2c_addr_bit_len_t dev_addr_length;	/* 从设备的地址长度 */
    uint16_t device_address; 				/* 从设备的地址 */
    uint32_t scl_speed_hz;					/* 从设备的SCL频率 */
    uint32_t scl_wait_us;					/* SCL等待时间 */
    struct {
        uint32_t disable_ack_check: 1;		/* 关闭ack检查 */
    } flags;								/* 配置标记 */
} i2c_device_config_t;						/* IIC设备配置 */

i2c_device_config_t结构体用于配置IIC设备的各种参数，以下对各个成员做的简单介绍
1）dev_addr_length：
从设备地址长度，选I2C_ADDR_BIT_LEN_7或I2C_ADDR_BIT_LEN_10。
2）device_address：
IIC设备的设备地址（7/10bit地址，不带读写位）。
3）scl_speed_hz：
IIC的时钟线频率。
4）scl_wait_us：
SCL等待时间，可不对该成员赋值。
5）disable_ack_check：
关闭ACK检查。若开启ack，即对该成员赋值为0，总线上检测到nack，传输将停止。
ret_handle为指向IIC总线从设备句柄结构体的指针，i2c_master_dev_handle_t结构体其实是i2c_master_dev_t，其定义如下：

struct i2c_master_dev_t {
    i2c_master_bus_t *master_bus;         	/* 总线 */
    uint16_t device_address;              	/* 设备地址 */
    uint32_t scl_speed_hz;                	/* SCL频率 */
    uint32_t scl_wait_us;                	/* SCL等待时间 */
i2c_addr_bit_len_t addr_10bits;       	/* 设备地址(10位) */
    bool ack_check_disable;               	/* 关闭ack检查 */
i2c_master_callback_t on_trans_done;  	/* IIC传输完成回调 */
    void *user_ctx;                       	/* 回调函数传参 */
};

3，IIC发送函数i2c_master_transmit
该函数用于在IIC总线上主机发送数据给从机，其函数原型如下：

esp_err_t i2c_master_transmit(i2c_master_dev_handle_t i2c_dev, 
const uint8_t *write_buffer, 
size_t write_size, 
int xfer_timeout_ms);

函数形参：

QQ截图20260424110640

表19.3.1.3 i2c_master_transimit函数形参描述
函数返回值：
ESP_OK表示主机发送数据成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示主机发送数据的参数有误。
ESP_ERR_TIMEOUT表示操作超时，可能总线被占用着或硬件异常。

4，IIC发送和接收函数i2c_master_transmit_receive
该函数用于在IIC总线上主机发送数据并接收数据，其函数原型如下：

esp_err_t i2c_master_transmit_receive(i2c_master_dev_handle_t i2c_dev, 
const uint8_t *write_buffer, 
size_t write_size, 
uint8_t *read_buffer, 
size_t read_size, 
int xfer_timeout_ms);

函数形参：

QQ截图20260424110654

表19.3.1.4 i2c_master_transimit_receive函数形参描述
函数返回值：
ESP_OK表示主机发送数据成功。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示发送数据的参数有误。
ESP_ERR_TIMEOUT表示操作超时，可能总线被占用着或硬件异常。
注意：由于IIC的读操作是一个复合的过程，所以使用i2c_master_transmit_receive函数会比较方便，当然，IIC的IDF驱动是有提供IIC读操作函数i2c_master_receive。不过，在使用i2c_master_receive函数时，若前面需要写操作，还需要调用i2c_master_transmit函数，而i2c_master_transmit_receive就可以将这两步，在一个函数中实现。i2c_master_receive函数这里就不列出来，大家自行查看即可。

19.3.2 程序流程图

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图19.3.2.1 IIC_EXIO实验程序流程图

19.3.3 程序解析
在09_iic_exio例程中，作者在09_iic_exio\components\BSP路径下新建了2个文件夹，分别是MYIIC和XL9555，并且需要更改CMakeLists.txt内容，以便在其他文件上调用。

  1. IIC驱动代码
    这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。IIC驱动源码包括两个文件：myiic.c和myiic.h。
    下面先解析myiic.h的程序。对IIC通信配置以及引脚做了相关定义。
#define IIC_NUM_PORT       I2C_NUM_0        /* IIC0 */
#define IIC_SPEED_CLK      400000           /* 速率400K */
#define IIC_SDA_GPIO_PIN   GPIO_NUM_33      /* IIC0_SDA引脚 */
#define IIC_SCL_GPIO_PIN   GPIO_NUM_32      /* IIC0_SCL引脚 */

我们选择使用IIC0，且通信速率设置为400K，IIC0引脚方面，选择IO33作为IIC的SDA数据线，IO32作为IIC的SCL时钟线。
下面我们再解析myiic.c的程序，看一下初始化函数myiic_init，代码如下：

/**
 * @brief     	初始化MYIIC
 * @param   	无
 * @retval    	ESP_OK:初始化成功
 */
esp_err_t myiic_init(void)
{
    i2c_master_bus_config_t i2c_bus_config = {
        .clk_source                     = I2C_CLK_SRC_DEFAULT,  /* 时钟源 */
        .i2c_port                       = IIC_NUM_PORT,         /* I2C端口 */
        .scl_io_num                     = IIC_SCL_GPIO_PIN,     /* SCL管脚 */
        .sda_io_num                     = IIC_SDA_GPIO_PIN,     /* SDA管脚 */
        .glitch_ignore_cnt              = 7,                    /* 故障周期 */
        .flags.enable_internal_pullup   = true,                 /* 内部上拉 */
    };
    /* 新建I2C总线 */
    ESP_ERROR_CHECK(i2c_new_master_bus(&i2c_bus_config, &bus_handle));

    return ESP_OK;
}

在IIC初始化函数中，定义了i2c_bus_config变量，并对其成员进行赋值，IIC端口设置为IIC_NUM_PORT，时钟线设置为IIC_SCL_GPIO_PIN，而数据线设置为IIC_SDA_GPIO_PIN，启用内部上拉，最终调用i2c_new_master_bus函数初始化IIC总线。

  1. XL9555驱动代码
    这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。XL9555驱动源码包括两个文件：xl9555.c和xl9555.h。
    下面先解析XL9555.h的程序。对XL9555的中断引脚和器件地址做了相关定义。
#define XL9555_INT_IO 					GPIO_NUM_36	/* XL9555_INT引脚 */
#define XL9555_ADDR    					0X24		/* 器件地址 */

通过前面的介绍可知，XL9555器件有8个寄存器，所以这里我们也定义了对应的宏，如下所示。

#define XL9555_INPUT_PORT0_REG      	0			/* 输入寄存器0地址 */
#define XL9555_INPUT_PORT1_REG      	1 			/* 输入寄存器1地址 */
#define XL9555_OUTPUT_PORT0_REG     	2     		/* 输出寄存器0地址 */
#define XL9555_OUTPUT_PORT1_REG     	3     		/* 输出寄存器1地址 */
#define XL9555_INVERSION_PORT0_REG  	4     		/* 极性反转寄存器0地址 */
#define XL9555_INVERSION_PORT1_REG  	5     		/* 极性反转寄存器1地址 */
#define XL9555_CONFIG_PORT0_REG     	6    		/* 方向配置寄存器0地址 */
#define XL9555_CONFIG_PORT1_REG     	7    		/* 方向配置寄存器1地址 */

通过前面对XL9555寄存器介绍，我们知道这16个IO口在寄存器的位置都是固定的，基于单个IO操作单位的考虑，所以定义了每个引脚的宏，如下所示：

#define BEEP_IO                     	0x0001		/* 蜂鸣器控制引脚 */
#define SPK_EN_IO                   	0x0002		/* 功放使能引脚 */
#define GBC_LED_IO                  	0x0004		/* ATK_MODULE接口LED引脚 */
#define GBC_KEY_IO                  	0x0008		/* ATK_MODULE接口KEY引脚 */
#define RS485_RE_IO                 	0x0010		/* 485切换发送/接收引脚 */ 
#define SLCD_PWR_IO                 	0x0020		/* SPI_LCD控制背光引脚 */
#define EXIO_6_IO                	 	0x0040		/* 未使用引脚 */
#define SLCD_RST_IO                 	0x0080		/* SPI_LCD复位引脚 */
#define KEY_0_IO                    	0x0100		/* 按键0引脚 */
#define KEY_1_IO                    	0x0200		/* 按键1引脚 */
#define KEY_2_IO                    	0x0400		/* 按键2引脚 */
#define AP_INT_IO                   	0x0800		/* AP3216C中断引脚 */
#define QMI_INT_IO                  	0x1000		/* 六轴传感器中断引脚 */
#define LED_1_IO                    	0x2000		/* LED1引脚 */
#define EXIO_14_IO                  	0x4000		/* 未使用引脚 */
#define EXIO_15_IO                  	0x8000		/* 未使用引脚 */

在程序中，就是通过调用以上宏进行设置使用。
接下来，解析一下xl9555.c的程序，首先先来看一下XL9555器件的初始化函数xl9555_init，代码如下：

/**
 * @brief    	初始化XL9555
 * @param    	无
 * @retval   	ESP_OK:初始化成功
 */
esp_err_t xl9555_init(void)
{
    uint8_t r_data[2];

    /* 未调用myiic_init初始化IIC */
    if (bus_handle == NULL)
    {
        ESP_ERROR_CHECK(myiic_init());
    }

    i2c_device_config_t xl9555_i2c_dev_conf = {
        .dev_addr_length = I2C_ADDR_BIT_LEN_7,  /* 从机地址长度 */
        .scl_speed_hz    = IIC_SPEED_CLK,       /* 传输速率 */
        .device_address  = XL9555_ADDR,         /* 从机7位的地址 */
    };
    /* I2C总线上添加XL9555设备 */
ESP_ERROR_CHECK(i2c_master_bus_add_device(bus_handle, &xl9555_i2c_dev_conf, 
&xl9555_handle));

    /* 输入模式下，中断才有效（读取IO电平） */
    // xl9555_int_init();

    /* 上电先读取一次清除中断标志 */
    xl9555_read_byte(r_data, 2);
    /* 配置那些扩展管脚为输入输出模式 */
    xl9555_ioconfig(0x1F00);
    /* 关闭蜂鸣器 */
    xl9555_pin_write(BEEP_IO, 1);
    /* 关闭喇叭 */
    xl9555_pin_write(SPK_EN_IO, 1);

    return ESP_OK;
}

在XL9555初始化函数中，首先对xl9555_i2c_dev_conf变量的成员进行赋值，设置XL9555的地址长度、设备地址以及传输速率，然后调用i2c_master_bus_add_device函数对XL9555设备进行初始化。随后调用xl9555_read_byte函数对寄存器进行读取，清除中断标志，以防出错。xl9555_ioconfig函数就是对XL9555设备的IO设置为输入输出功能。为了不让蜂鸣器和喇叭工作，通过xl9555函数设置高电平输出。
接下来，看一下如何向XL9555寄存器写入数据的函数xl9555_write_byte，代码如下。

/**
 * @brief     	向XL9555寄存器写入数据
 * @param    	reg:寄存器地址
 * @param    	data:要写入数据的存储区
 * @param     	len:要写入数据的大小
 * @retval    	ESP_OK:读取成功; 其他:读取失败
 */
esp_err_t xl9555_write_byte(uint8_t reg, uint8_t *data, size_t len)
{
    esp_err_t ret;

    uint8_t *buf = malloc(1 + len);
    if (buf == NULL)
    {
        ESP_LOGE(xl9555_tag, "%s memory failed", __func__);
        return ESP_ERR_NO_MEM;      /* 分配内存失败 */
    }

    buf[0] = reg;                   /* 0号元素为寄存器数值 */
    memcpy(buf + 1, data, len);     /* 拷贝数据至存储区中 */

    ret = i2c_master_transmit(xl9555_handle, buf, len + 1, -1);

    free(buf);                      /* 发送完成释放内存 */

    return ret;
}

该函数的实现，主要调用i2c_master_transmit函数。在这里需要进行数据整合，把寄存器地址和要写入到寄存器的数据重新存放到一个buf。在这里需要注意存放顺序，寄存器地址要在写入寄存器的数据前面，这样子通过i2c_master_transmit函数发送出去的数据才符合XL9555写数据操作。
继续看一下如何读取XL9555的IO值的函数xl9555_read_byte，代码如下。

/**
 * @brief    	读取XL9555的IO值
 * @param     	data:读取数据的存储区
 * @param     	len:读取数据的大小
 * @retval    	ESP_OK:读取成功; 其他:读取失败
 */
esp_err_t xl9555_read_byte(uint8_t *data, size_t len)
{
    uint8_t reg_addr = XL9555_INPUT_PORT0_REG;
    
    return i2c_master_transmit_receive(xl9555_handle, &reg_addr, 1,data,len,-1);
}

在上述函数中，需要指定寄存器地址XL9555_INPUT_PORT0_REG，通过传参len，即可决定读取多少个寄存器数据，在本例程中，len主要传的是2，即把XL9555的16个IO状态读取。
xl9555.c文件中的xl9555_pin_write、xl9555_pin_read和xl9555_ioconfig函数都是基于以上的读和写函数实现，只不过就是多了数据的解析处理，这里就不罗列出来了。
由于ESP32-P4相比其他芯片引脚还是有点少，所以用芯片IO控制的按键只有一个。在实际应用场景中，按键还得需要多几个，所以设置XL9555器件有三个IO连接按键。在进行按键检测时，就需要按键扫描函数，在xl9555.c文件里就有一个按键扫描函数xl9555_key_scan函数，定义如下。

/**
 * @brief   	按键扫描函数
 * @param       mode:0->不连续;1->连续
 * @retval      键值, 定义如下:
 *              KEY0_PRES, 1, KEY0按下
 *              KEY1_PRES, 2, KEY1按下
 *              KEY2_PRES, 3, KEY2按下
 */
uint8_t xl9555_key_scan(uint8_t mode)
{
    uint8_t keyval = 0;
    static uint8_t key_up = 1;

    if (mode)
    {
        key_up = 1;
    }
    
    if (key_up && (KEY0 == 0 || KEY1 == 0 || KEY2 == 0))
    {
        esp_rom_delay_us(10000);
        key_up = 0;

        if (KEY0 == 0)
        {
            keyval = KEY0_PRES;
        }

        if (KEY1 == 0)
        {
            keyval = KEY1_PRES;
        }

        if (KEY2 == 0)
        {
            keyval = KEY2_PRES;
        }

    }
    else if (KEY0 == 1 && KEY1 == 1 && KEY2 == 1)
    {
        key_up = 1;
    }

    return keyval;
}

上述函数中，实现的逻辑跟key_scan函数是相似，只不过在这里，是通过xl9555_read_pin函数对IO口状态进行读取和判断。KEY0、KEY1、KEY2都是宏函数，定义如下：

#define KEY0                        xl9555_pin_read(KEY_0_IO)
#define KEY1                        xl9555_pin_read(KEY_1_IO)
#define KEY2                        xl9555_pin_read(KEY_2_IO)

xl9555_key_scan函数的形参mode，可用于设置是否支持连按。而函数的返回值为按键的键值，比如KEY0_PRES、KEY1_PRES和KEY2_PRES，这三个宏都在头文件中存在，定义如下。

#define KEY0_PRES                   1
#define KEY1_PRES                   2
#define KEY2_PRES                   3

文件中的其他函数请大家自行查看源码，都有详细的注释。

  1. CMakeLists.txt文件
    本例程的功能实现主要依靠IIC驱动和XL9555驱动。要在main函数中，成功调用XL9555文件中的内容，就得需要修改BSP文件夹下的CMakeLists.txt文件，修改如下：
set(src_dirs
           	LED
           	MYIIC
          	XL9555)

set(include_dirs
          	LED
           	MYIIC
           	XL9555)

set(requires
           	driver)

idf_component_register(	SRC_DIRS ${src_dirs} INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})

component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)
  1. main.c驱动代码
    在main.c里面编写如下代码。
void app_main(void)
{
    esp_err_t ret;
    uint8_t exio_key = 0;
    
    ret = nvs_flash_init();   	/* 初始化NVS */
    if(ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    {
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_init());
    }

    myiic_init();       		/* 初始化IIC0 */
    xl9555_init();      		/* 初始化XL9555 */

    while(1)
    {
        exio_key = xl9555_key_scan(0);
        
        switch (exio_key)
        {
            case KEY0_PRES: /* 打开LED1和蜂鸣器 */
                xl9555_pin_write(LED_1_IO, 0);
                xl9555_pin_write(BEEP_IO, 0);
                break;

            case KEY1_PRES: /* 关闭LED1 */
                xl9555_pin_write(LED_1_IO, 1);
                break;

            case KEY2_PRES: /* 关闭蜂鸣器 */
                xl9555_pin_write(BEEP_IO, 1);
                break;

            default:
                break;
        }

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    }
}

在app_main函数中，调用完myiic_init函数和xl9555_init函数，就进入到死循环。在循环中，每隔10毫秒就调用xl9555_key_scan函数扫描按键状态，如果KEY0被按下，打开LED1和蜂鸣器；如果KEY1被按下，关闭LED1；如果KEY2被按下，关闭蜂鸣器。

19.4 下载验证
下载代码完成后，我们可以按KEY0、KEY1和KEY2来看看LED1和蜂鸣器的变化，是否跟我们预期的结果一致？

posted @ 2026-04-28 14:27  正点原子  阅读(6)  评论(0)    收藏  举报