拡張ポート(I2C対応:I/O EXPANDER)

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====== 拡張ポート(I2C対応:I/O EXPANDER) ======

===== 概要 =====
ポートの数がもう少しほしい場合には、止む無く、ピン数の多いPICを使わざるを得ないのですが、検索してみますと、TI社から、「REMOTE 8-BIT I2C I/O EXPANDER」という製品が提供されており、これを使用すると、ポート数を簡単に増やすことができます。

そこで、これと同等の機能を、PICを使って実現することにしました。
  * I2Cで制御可能とする。
  * ポートの数は、8ビットとする。
  * 入出力モードを設定可能とする。
  * 接続台数は、4台まで可能とする。

【TI社/PCA9557】
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-073453.png}}

===== 動作原理 =====
I2Cのスレーブ機能としての、基本的な構造は、前回製作した、LCDモニター(I2C対応)と同じです。
ポートの入出力モードや入出力データを設定するために、2バイトのメモリを使用します。
【0x00】入出力モード設定用(TRISAやTRISBに相当)
【0x01】入出力データ設定用(PORTAやPORTBに相当)

<ポートの入出力モード設定>
通常のポートの入出力モード設定と同様にしました。
例えば、
<code>
TRISB = 0x00001111;
</code>
とすることで、PORTBを、上位4ビットを出力モード、下位4ビットを入力モードにすることができます。
これをマスター側から設定するには、アドレス(0x00)のメモリに、0x00001111を書き込みます。
<code>
Soft_I2C_Start();
Soft_I2C_Write(0xC0);
Soft_I2C_Write(0x00);
Soft_I2C_Write(0b00001111);
Soft_I2C_Stop();
</code>

<ポートへのデータ出力>
マスター側から、アドレス(0x01)のメモリに、出力データを書き込みます。
<code>
Soft_I2C_Start();
Soft_I2C_Write(0xC0);
Soft_I2C_Write(0x01);
Soft_I2C_Write(0b10100000);
Soft_I2C_Stop();
</code>

<ポートからのデータ入力>
マスター側から、アドレス(0x01)のメモリを、読み込みます。
<code>
Soft_I2C_Start();
Soft_I2C_Write(0xC0);
Soft_I2C_Write(0x01);
Soft_I2C_Start();
Soft_I2C_Write(0xC1);
dat = Soft_I2C_Read(NO_ACK);
Soft_I2C_Stop();
</code>

===== 回路図 =====
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-073817.png}}

===== ソースコード =====
<code c port_ex_i2c.c>
//********************************************************************** 
/*
	＜拡張ポート（Ｉ２Ｃ対応）＞
*/
//********************************************************************** 

#define		LED			PORTA.F4
#define		SW_ADDR1	PORTB.F2
#define		SW_ADDR2	PORTB.F3
#define		ADDR_BASE	0xC0

#define		PORT_EX_0	PORTA.F0
#define		PORT_EX_1	PORTA.F1
#define		PORT_EX_2	PORTA.F2
#define		PORT_EX_3	PORTA.F3
#define		PORT_EX_4	PORTB.F0
#define		PORT_EX_5	PORTB.F5
#define		PORT_EX_6	PORTB.F6
#define		PORT_EX_7	PORTB.F7

#define		TRIS_EX_0	TRISA.F0
#define		TRIS_EX_1	TRISA.F1
#define		TRIS_EX_2	TRISA.F2
#define		TRIS_EX_3	TRISA.F3
#define		TRIS_EX_4	TRISB.F0
#define		TRIS_EX_5	TRISB.F5
#define		TRIS_EX_6	TRISB.F6
#define		TRIS_EX_7	TRISB.F7

#define		ON			1
#define		OFF			0

#define		DATA_SIZE	2

//********************************************************************** 

static	unsigned	short	data[DATA_SIZE], pnt, flg, tmp, stat;

//********************************************************************** 

void	i2c_Write(unsigned short dat)
{
	while (SSPSTAT.BF == 1)
		;
	while (1) {
		SSPCON.WCOL = 0;
		SSPBUF = dat;
		if (SSPCON.WCOL == 1)
			continue;
		//
		SSPCON.CKP = 1;
		return;
	}
}

//********************************************************************** 

void	i2c_Handler()
{
	stat = SSPSTAT;
	tmp = SSPSTAT & 0b00101101;
	//
	if (tmp == 0b00001001) {	//書き込みモード、デバイスアドレス
		tmp = SSPBUF; 
		flg = 0;
		pnt = 0;
		return;
	}
	if (tmp == 0b00101001) {	//書き込みモード、データ
		if (flg == 0) {
			pnt = SSPBUF;
			flg = 1;
			return;
		}
		if (flg == 1) {
			data[pnt] = SSPBUF;
			pnt++;
			return;
		}
	}
	if (tmp == 0b00001100) {	//読み込みモード、デバイスアドレス 
		i2c_Write(data[pnt]);
		pnt++;
		return;
	}
	if (tmp == 0b00101100) {	//読み込みモード、データ（ＡＣＫ） 
		i2c_Write(data[pnt]);
		pnt++;
		return;
	}
	if (tmp == 0b00101000) {	//読み込みモード、データ（ＮＯ＿ＡＣＫ） 
		tmp = SSPBUF;
		SSPCON = 0x36;
		return;
	}
	LED = ON;
	Delay_ms(100);
	LED = OFF;
}

//********************************************************************** 

void	interrupt()
{
	if (PIR1.SSPIF == 1) {
		PIR1.SSPIF = 0;
		//
		LED = ON;
		i2c_Handler();
		LED = OFF;
	}
}

//********************************************************************** 

void	ByteToBit(unsigned short number, char *output)
{
	short	cnt;
	//
	for (cnt = 0; cnt < 8; cnt++) {
		if ((number & 0x80) != 0)
			output[cnt] = '1';
		else
			output[cnt] = '0';
		number <<= 1;
	}
	output[8] = 0x00;
}

//********************************************************************** 

void	main()
{
	unsigned	short	cnt, TRIS_EX;
	//
	CMCON  = 0b00000111;		//コンパレータは使用しない。 
	ANSEL  = 0b00000000;		//A/Dコンバータは使用しない。 
	OSCCON = 0b01110000;		//クロックは内臓8MHzを使用する。 
	TRISA  = 0b11101111;		//PORTAを設定する。 
	TRISB  = 0b11111111;		//PORTBを設定する。 
	OPTION_REG.NOT_RBPU = 0;	//PORTBをプルアップする。
	//Ｉ２Ｃを設定する。 
	SSPSTAT.SMP = 1;
	SSPSTAT.CKE = 1;
	SSPCON.WCOL = 0;
	SSPCON.SSPOV = 0;
	SSPCON.SSPEN = 1;
	SSPCON.CKP = 1;
	SSPCON.SSPM0 = 0;
	SSPCON.SSPM1 = 1;
	SSPCON.SSPM2 = 1;
	SSPCON.SSPM3 = 0;
	SSPADD = ADDR_BASE + ((SW_ADDR2 == 1) ? 4 : 0) + ((SW_ADDR1 == 1) ? 2 : 0);
	PIE1.SSPIE = 1;
	PIR1.SSPIF = 0;
	//
	LED = OFF;
	pnt = 0;
	flg = 0;
	data[0] = 0b11111111;
	data[1] = 0b11111111;
	TRIS_EX = data[0];
	for (cnt = 0; cnt < 10; cnt++) {
		LED = ON;
		Delay_ms(50);
		LED = OFF;
		Delay_ms(50);
	}
	// 割り込み(全体)の設定
	INTCON.PEIE = 1;
	INTCON.GIE = 1;
	//
	while (1) {
		//
		if (data[0].F0 != TRIS_EX.F0) {
			TRIS_EX.F0 = data[0].F0;
			TRIS_EX_0 = TRIS_EX.F0;
		}
		if (TRIS_EX.F0 == 1) {
			data[1].F0 = PORT_EX_0;
		} else {
			PORT_EX_0 = data[1].F0;
		}
		//
		if (data[0].F1 != TRIS_EX.F1) {
			TRIS_EX.F1 = data[0].F1;
			TRIS_EX_1 = TRIS_EX.F1;
		}
		if (TRIS_EX.F1 == 1) {
			data[1].F1 = PORT_EX_1;
		} else {
			PORT_EX_1 = data[1].F1;
		}
		//
		if (data[0].F2 != TRIS_EX.F2) {
			TRIS_EX.F2 = data[0].F2;
			TRIS_EX_2 = TRIS_EX.F2;
		}
		if (TRIS_EX.F2 == 1) {
			data[1].F2 = PORT_EX_2;
		} else {
			PORT_EX_2 = data[1].F2;
		}
		//
		if (data[0].F3 != TRIS_EX.F3) {
			TRIS_EX.F3 = data[0].F3;
			TRIS_EX_3 = TRIS_EX.F3;
		}
		if (TRIS_EX.F3 == 1) {
			data[1].F3 = PORT_EX_3;
		} else {
			PORT_EX_3 = data[1].F3;
		}
		//
		if (data[0].F4 != TRIS_EX.F4) {
			TRIS_EX.F4 = data[0].F4;
			TRIS_EX_4 = TRIS_EX.F4;
		}
		if (TRIS_EX.F4 == 1) {
			data[1].F4 = PORT_EX_4;
		} else {
			PORT_EX_4 = data[1].F4;
		}
		//
		if (data[0].F5 != TRIS_EX.F5) {
			TRIS_EX.F5 = data[0].F5;
			TRIS_EX_5 = TRIS_EX.F5;
		}
		if (TRIS_EX.F5 == 1) {
			data[1].F5 = PORT_EX_5;
		} else {
			PORT_EX_5 = data[1].F5;
		}
		//
		if (data[0].F6 != TRIS_EX.F6) {
			TRIS_EX.F6 = data[0].F6;
			TRIS_EX_6 = TRIS_EX.F6;
		}
		if (TRIS_EX.F6 == 1) {
			data[1].F6 = PORT_EX_6;
		} else {
			PORT_EX_6 = data[1].F6;
		}
		//
		if (data[0].F7 != TRIS_EX.F7) {
			TRIS_EX.F7 = data[0].F7;
			TRIS_EX_7 = TRIS_EX.F7;
		}
		if (TRIS_EX.F7 == 1) {
			data[1].F7 = PORT_EX_7;
		} else {
			PORT_EX_7 = data[1].F7;
		}
	}
}

//**********************************************************************
</code>

<参考>
※テスト用(PIC12F683)のプログラムです。
<code c port_ex_i2c_master.c>
//********************************************************************** 
/*
　『拡張ポートのテストデータ送信用（マスター）』
*/
//********************************************************************** 

#define		SW			GPIO.F3
#define		LED			GPIO.F2

#define		ON			1
#define		OFF			0

#define		ACK			1
#define		NO_ACK		0

//********************************************************************** 

void	SwitchONcheck()
{
	while (Button(&GPIO, 3, 1, 0) == 0)
		;
	while (Button(&GPIO, 3, 1, 1) == 0)
		;
}

//********************************************************************** 

void main()
{
	unsigned	short	cnt, dat;
	//
	CMCON0 = 0b00000111;
	ANSEL.ANS0 = 0;
	ANSEL.ANS1 = 0;
	ANSEL.ANS2 = 0;
	ANSEL.ANS3 = 0;
	ADCON0.VCFG = 0;
	TRISIO = 0b00001011;
	OSCCON = 0b01110000;
	//
	for (cnt = 0; cnt < 10; cnt++) {
		LED = ON;
		Delay_ms(50);
		LED = OFF;
		Delay_ms(50);
	}
	//
	Soft_I2C_Config(&GPIO, 4, 5);	// SDA, SCL
	//
	while (1) {
		SwitchONcheck();
		//TRIS_EX = 0b00001111
		Soft_I2C_Start();
		Soft_I2C_Write(0xC0);
		Soft_I2C_Write(0x00);
		Soft_I2C_Write(0b00001111);
		Soft_I2C_Stop();
		//
		SwitchONcheck();
		//PORT_EX = 0x10100000
		Soft_I2C_Start();
		Soft_I2C_Write(0xC0);
		Soft_I2C_Write(0x01);
		Soft_I2C_Write(0b10100000);
		Soft_I2C_Stop();
		//
		SwitchONcheck();
		//PORT_EX = 0x01010000
		Soft_I2C_Start();
		Soft_I2C_Write(0xC0);
		Soft_I2C_Write(0x01);
		Soft_I2C_Write(0b01010000);
		Soft_I2C_Stop();
		//
		SwitchONcheck();
		//
		Soft_I2C_Start();
		Soft_I2C_Write(0xC0);
		Soft_I2C_Write(0x01);
		Soft_I2C_Start();
		Soft_I2C_Write(0xC1);
		dat = Soft_I2C_Read(NO_ACK);
		Soft_I2C_Stop();
		//
		SwitchONcheck();
		//
		Soft_I2C_Start();
		Soft_I2C_Write(0xC0);
		Soft_I2C_Write(0x01);
		Soft_I2C_Write(dat << 4);
		Soft_I2C_Stop();
		//
		for (cnt = 0; cnt < 10; cnt++) {
			LED = ON;
			Delay_ms(50);
			LED = OFF;
			Delay_ms(50);
		}
	}
}

//**********************************************************************
</code>

===== 動作確認 =====
左側から、PIC12F683(ポート制御データ送信用)、PIC16F88(アドレス=0xC0)、入出力基板です。
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074045.png?500}}

左側:起動直後
右側:ポートの入出力モード設定(上位4ビットを出力モード、下位4ビットを入力モード)
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074056.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074059.png}}

左側:0xA0(0b10100000)を出力
右側:0x50(0b01010000)を出力
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074108.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074114.png}}

左側:スイッチを入力し、それをそのまま出力(スイッチは全てOFF状態)
右側:スイッチを入力し、それをそのまま出力(黄色のスイッチのみON状態)
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074123.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074127.png}}

左側:スイッチを入力し、それをそのまま出力(黄色のスイッチと緑色のスイッチがON状態)
右側:スイッチを入力し、それをそのまま出力(赤色のスイッチのみON状態)
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074133.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-074138.png}}

如何ですか?
これでピン数の少ないPICに、簡単にポート数を増やすことができますね ^_^

今回は、最大4台の拡張ポートを接続できるようにしましたが、PIC16F88のポートには、まだ3ピン未使用の
ポートがありますので、プログラムを少し修正するだけで、最大32台(256ポート)まで増やすことができます。

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