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exs_pcf8574 扩展库

作者：沈园园　|　最后修改：2026-08-14

一、概述

exs_pcf8574 是 NXP PCF8574 8 位 I2C GPIO 扩展芯片的 LuatOS 扩展库。PCF8574 通过 I2C 串行接口为主控提供 8 位并行 I/O 扩展，仅需 2 根线（SDA + SCL）即可扩展出 8 个准双向 GPIO 引脚。

PCF8574 提供 1 个 8 位端口（P0~P7），共 8 个 GPIO，采用准双向 IO 设计，无需单独配置方向寄存器，支持输入、输出和中断三种工作模式。

1.1 主要特性

  • 8 个 I/O 引脚（P0~P7），准双向 IO 设计，无需方向配置
  • 内置上拉电阻，输入模式时引脚默认高电平
  • 支持 INT 中断引脚，输入电平变化时触发中断通知主控
  • 支持批量读写所有 GPIO 端口数据（read_all / write_all）
  • 同时支持 PCF8574T（地址 0x20~0x27）和 PCF8574AT（地址 0x38~0x3F）
  • I2C 接口速率可达 100kHz（标准模式）
  • 3 个硬件地址引脚（A0、A1、A2），每种芯片支持 8 种 I2C 地址
  • 工作电压 1.8V~5.5V
  • 灌电流驱动能力强（最大 25mA），可直接驱动 LED
  • 拉电流驱动能力弱（约 10μA），高电平驱动需外接三极管

1.2 加载方式

local exs_pcf8574 = require "exs_pcf8574"

1.3 注意事项

  • I2C 上拉电阻：SDA 和 SCL 需外接 4.7kΩ~10kΩ 上拉电阻到 VCC
  • INT 引脚硬件要求：
  • PCF8574 的 INT 引脚为开漏输出，需外接上拉电阻
  • 重要：很多市售 PCF8574 模块（特别是 LCD I2C 转接板）未引出 INT 引脚，此类模块无法使用硬件中断功能
  • 如模块无 INT 引脚，请使用轮询方式（poll_int()）检测引脚变化
  • 准双向 IO 模式：PCF8574 没有独立的方向配置寄存器
  • 写入 0：引脚输出低电平（强驱动，灌电流）
  • 写入 1：引脚变为高阻状态（内部上拉，可被外部驱动）
  • 读取：返回引脚实际电平（无论输出还是输入模式）
  • 输入前置条件：任何引脚作为输入读取外部电平前，必须先向该位写入 1
  • 输出驱动能力：灌电流（输出低）可达 25mA，可直接驱动 LED；拉电流（输出高）仅约 10μA，驱动 LED 需外接三极管或采用低电平驱动方式
  • 中断模式：使用中断功能时，必须在 setup() 中传入 int_gpio 参数
  • 多设备支持：通过 A0、A1、A2 引脚配置不同 I2C 地址，同一条 I2C 总线最多可挂载 16 个 PCF8574（8 个 PCF8574T + 8 个 PCF8574AT）
  • 地址自动探测：不传 addr 参数时，扩展库自动扫描全部 16 个地址（0x20~0x27 + 0x38~0x3F）

1.4 硬件连接

  ┌──────────────┐                    ┌──────────────────┐
  │    主控      │                    │    PCF8574       │
  │              │                    │  GPIO 扩展芯片   │
  │ I2C_SDA ─────┼────────────────────┼──→ SDA           │
  │              │                    │  （需外接上拉电阻）│
  │ I2C_SCL ─────┼────────────────────┼──→ SCL           │
  │              │                    │  （需外接上拉电阻）│
  │ GPIO_INT ←───┼────────────────────┼──→ INT           │
  │              │                    │  （开漏输出，     │
  │              │                    │   需外接上拉电阻）│
  │              │                    │                  │
  │ 3.3V ────────┼────────────────────┼──→ VDD           │
  │              │                    │                  │
  │ GND ─────────┼────────────────────┼──→ GND           │
  │              │                    │                  │
  │              │                    │ A0~A2 ──────────┼──→ 地址配置
  │              │                    │                  │
  │              │                    │ P0~P7 ──────────┼──→ 扩展 GPIO 端口
  └──────────────┘                    └──────────────────┘

1.5 引脚说明

PCF8574 引脚 功能 说明
VDD 电源 3.3V ~ 5.5V
GND 地 电源地
SDA I2C 数据线 需外接上拉电阻
SCL I2C 时钟线 需外接上拉电阻
INT 中断输出 开漏输出，低电平有效，需外接上拉电阻
A0, A1, A2 地址配置 接 VCC=1，接 GND=0
P0 ~ P7 扩展 GPIO 准双向 I/O

1.6 地址配置

芯片型号 A0 A1 A2 地址范围 基地址
PCF8574T 000 ~ 111 0x20 ~ 0x27 0x20
PCF8574AT 000 ~ 111 0x38 ~ 0x3F 0x38

准双向 IO 说明： - 写入 0：引脚输出低电平（强驱动拉低，灌电流最大 25mA） - 写入 1：引脚变为高阻状态（内部上拉，可被外部驱动） - 读取：返回引脚实际电平（无论输出还是输入模式）

二、核心示例

2.1 GPIO 输出示例

local exs_pcf8574 = require "exs_pcf8574"

local function output_demo()
    -- 初始化（硬件 I2C1）
    local result = exs_pcf8574.setup({i2c_id = 1})
    if not result then
        log.error("exs_pcf8574", "初始化失败")
        return
    end

    -- 配置 P0 为输出模式，初始输出低电平
    exs_pcf8574.pin_setup(0x00, 0)

    -- 循环切换 P0 电平
    while true do
        exs_pcf8574.set(0x00, 0)   -- 输出低电平（LED 亮）
        sys.wait(1000)             -- 等待 1 秒
        exs_pcf8574.set(0x00, 1)   -- 输出高电平（LED 灭）
        sys.wait(1000)             -- 等待 1 秒
    end
end

sys.taskInit(output_demo)

2.2 GPIO 输入示例

local exs_pcf8574 = require "exs_pcf8574"

local function input_demo()
    local result = exs_pcf8574.setup({i2c_id = 1})
    if not result then return end

    -- 配置 P1 为输出模式（用于产生测试信号）
    exs_pcf8574.pin_setup(0x01, 0)
    -- 配置 P2 为输入模式（需将 P1 和 P2 短接）
    exs_pcf8574.pin_setup(0x02)

    while true do
        exs_pcf8574.set(0x01, 0)
        sys.wait(500)
        local level = exs_pcf8574.get(0x02)
        log.info("exs_pcf8574", "P2 电平:", level)

        exs_pcf8574.set(0x01, 1)
        sys.wait(500)
        level = exs_pcf8574.get(0x02)
        log.info("exs_pcf8574", "P2 电平:", level)
    end
end

sys.taskInit(input_demo)

2.3 GPIO 中断示例

local exs_pcf8574 = require "exs_pcf8574"

-- P3 中断回调函数
local function P3_int_cbfunc(pin, level)
    log.info("exs_pcf8574", "P3 中断触发，pin:", pin, "电平:", level)
end

-- 中断监听任务：在协程上下文中处理中断
local function int_listener_task()
    while true do
        local msg = sys.waitUntil("exs_pcf8574_INT", 3000)
        if msg then
            exs_pcf8574.process_int()  -- 在协程上下文中处理中断
        end
    end
end

local function int_demo()
    -- 初始化，使用 GPIO2 作为中断引脚
    local result = exs_pcf8574.setup({i2c_id = 1, int_gpio = 2})
    if not result then return end

    -- 启动中断监听任务
    sys.taskInit(int_listener_task)

    -- 配置 P2 为输出模式（用于触发 P3 中断，需短接 P2 和 P3）
    exs_pcf8574.pin_setup(0x02, 0)
    -- 配置 P3 为中断模式
    exs_pcf8574.pin_setup(0x03, P3_int_cbfunc)

    while true do
        exs_pcf8574.set(0x02, 0)
        sys.wait(1000)
        exs_pcf8574.set(0x02, 1)
        sys.wait(1000)
    end
end

sys.taskInit(int_demo)

2.4 批量读写示例

local exs_pcf8574 = require "exs_pcf8574"

local function batch_demo()
    local result = exs_pcf8574.setup({i2c_id = 1})
    if not result then return end

    while true do
        -- P0~P3 输出低，P4~P7 输出高
        exs_pcf8574.write_all(0xF0)
        sys.wait(1000)
        local data = exs_pcf8574.read_all()
        if data ~= false then
            log.info("exs_pcf8574", string.format("端口数据: 0x%02X", data))
        end

        -- 全部输出低
        exs_pcf8574.write_all(0x00)
        sys.wait(1000)
        data = exs_pcf8574.read_all()
        if data ~= false then
            log.info("exs_pcf8574", string.format("端口数据: 0x%02X", data))
        end
    end
end

sys.taskInit(batch_demo)

三、常量解释

本扩展库无常量导出。

四、函数详解

4.1 固定接口

4.1.1 exs_pcf8574.setup(config)

功能

初始化 PCF8574，配置 I2C 通信参数，自动探测设备地址

参数

config

参数含义：初始化配置表
数据类型：table
取值说明：
  - i2c_id (number)：硬件 I2C 总线 id，如 0 或 1
  - scl (number)：软件 I2C 的 SCL 引脚号
  - sda (number)：软件 I2C 的 SDA 引脚号
  - addr (number)：指定设备地址（可选，不传则自动探测 PCF8574T/AT 全部 16 个地址）
  - int_gpio (number)：中断引脚 GPIO id（可选，不传则不使用中断）
是否必选：是
注意事项：i2c_id 与 scl/sda 二选一，同时传优先硬件 I2C
参数示例：{i2c_id = 1} 或 {scl = 67, sda = 66}

返回值

含义说明：初始化是否成功
数据类型：boolean
注意事项：初始化失败时请检查接线、供电和地址跳线配置
返回示例：true

示例

-- 基础初始化（硬件 I2C，不使用中断）
local result = exs_pcf8574.setup({i2c_id = 1})

-- 使用软件 I2C
local result = exs_pcf8574.setup({scl = 67, sda = 66})

-- 指定地址 + 中断功能
local result = exs_pcf8574.setup({i2c_id = 1, addr = 0x20, int_gpio = 2})

4.1.2 exs_pcf8574.get_data()

功能

读取所有 GPIO 引脚状态，返回结构化数据

参数

无

返回值

含义说明：所有引脚状态
数据类型：table
字段说明：
  - p0~p7 (number)：P0~P7 引脚电平，0=低电平，1=高电平
  - raw (number)：原始字节数据，bit0=P0, bit7=P7
注意事项：读取失败返回 nil
返回示例：{p0=1, p1=0, p2=1, ..., p7=0, raw=0x55}

示例

local data = exs_pcf8574.get_data()
if data then
    log.info("exs_pcf8574", "引脚状态:", json.encode(data))
end

4.1.3 exs_pcf8574.close()

功能

关闭 PCF8574，释放所有资源（I2C、内部变量）

参数

无

返回值

含义说明：无返回值
注意事项：关闭后所有 GPIO 配置将失效，如需使用需重新 setup()

示例

exs_pcf8574.close()

4.1.4 exs_pcf8574.process_int()

功能

处理中断事件：读取所有引脚状态并分发用户回调函数

参数

无

返回值

含义说明：无返回值
注意事项：此函数必须在协程上下文中调用（如 sys.waitUntil 返回后）
使用场景：配合 setup() 中的 int_gpio 参数，在监听任务中调用

示例

-- 中断监听任务
local function int_listener_task()
    while true do
        local msg = sys.waitUntil("exs_pcf8574_INT", 3000)
        if msg then
            exs_pcf8574.process_int()  -- 在协程上下文中处理中断
        end
    end
end
sys.taskInit(int_listener_task)

4.1.5 exs_pcf8574.poll_int()

功能

轮询检测引脚变化并分发用户回调（适用于无 INT 引脚的 PCF8574 模块）

参数

无

返回值

含义说明：无返回值
注意事项：此函数需要在定时器中周期性调用（如每 100ms）
使用场景：当 PCF8574 模块未引出 INT 引脚时，通过轮询检测引脚变化
工作原理：读取输入寄存器并与上次值比较，检测到变化时调用对应回调

示例

-- 启动轮询定时器（每 100ms 检测一次）
sys.timerLoopStart(function()
    exs_pcf8574.poll_int()
end, 100)

4.1.6 exs_pcf8574.version()

功能

获取 exs_pcf8574 库的版本号

参数

无

返回值

含义说明：版本号字符串
数据类型：string
注意事项：格式为 "yyyymmddhhmm"
返回示例："202608061000"

示例

local ver = exs_pcf8574.version()
log.info("exs_pcf8574", "版本号:", ver)

4.2 引脚配置接口

4.2.1 exs_pcf8574.pin_setup(pin, mode)

功能

配置 PCF8574 单个引脚的工作模式，支持输出、输入和中断三种模式

参数

pin

参数含义：PCF8574 的引脚 ID
数据类型：number
取值范围：0x00 ~ 0x07，对应 P0 ~ P7
是否必选：是
参数示例：0x00

mode

参数含义：引脚工作模式
数据类型：number | function | nil
取值说明：
  - number (0)：输出模式，输出低电平（灌电流驱动，可直接驱动 LED）
  - number (1)：输出模式，输出高电平（内部上拉，弱驱动）
  - nil：输入模式（内部上拉，外部驱动）
  - function：中断模式，参数为回调函数
    回调函数格式：function cb_func(pin, level) end
    - pin：触发中断的引脚 ID（number 类型）
    - level：触发中断后读取到的电平（0=低，1=高）
是否必选：是
注意事项：中断模式需要在 setup() 中传入 int_gpio 参数
参数示例：0

返回值

含义说明：配置是否成功
数据类型：boolean
返回示例：true

示例

-- P0 配置为输出低电平
exs_pcf8574.pin_setup(0x00, 0)

-- P1 配置为输入模式
exs_pcf8574.pin_setup(0x01)

-- P4 配置为中断模式
local function P4_int_cbfunc(pin, level)
    log.info("exs_pcf8574", "P4 中断:", pin, level)
end
exs_pcf8574.pin_setup(0x04, P4_int_cbfunc)

4.2.2 exs_pcf8574.pin_close(pin)

功能

关闭 PCF8574 单个引脚，清除中断回调，恢复为默认输入模式

参数

pin

参数含义：PCF8574 的引脚 ID
数据类型：number
取值范围：0x00 ~ 0x07
是否必选：是
参数示例：0x03

返回值

含义说明：关闭是否成功
数据类型：boolean
返回示例：true

示例

exs_pcf8574.pin_close(0x03)

4.3 单引脚读写接口

4.3.1 exs_pcf8574.set(pin, level)

功能

设置 PCF8574 单个引脚的输出电平

参数

pin

参数含义：PCF8574 的引脚 ID
数据类型：number
取值范围：0x00 ~ 0x07
是否必选：是
参数示例：0x03

level

参数含义：输出电平
数据类型：number
取值范围：0（低电平，灌电流驱动）或 1（高电平，内部上拉）
是否必选：是
注意事项：0=低电平可直接驱动 LED；1=高电平驱动能力极弱，需外接三极管
参数示例：0

返回值

含义说明：设置是否成功
数据类型：boolean
返回示例：true

示例

exs_pcf8574.set(0x03, 0)   -- P3 输出低电平
exs_pcf8574.set(0x05, 1)   -- P5 输出高电平

4.3.2 exs_pcf8574.get(pin)

功能

读取 PCF8574 单个引脚的输入电平

参数

pin

参数含义：PCF8574 的引脚 ID
数据类型：number
取值范围：0x00 ~ 0x07
是否必选：是
注意事项：引脚必须先通过 pin_setup() 配置为输入或中断模式
参数示例：0x02

返回值

含义说明：引脚输入电平
数据类型：number 或 boolean
取值范围：0（低电平），1（高电平）；读取失败返回 false
返回示例：1

示例

local level = exs_pcf8574.get(0x02)
if level ~= false then
    log.info("exs_pcf8574", "P2 电平:", level)
end

4.4 批量读写接口

4.4.1 exs_pcf8574.read_all()

功能

读取 PCF8574 所有引脚状态（字节），一次性读取 8 个引脚的状态

参数

无

返回值

含义说明：8 位端口数据
数据类型：number 或 boolean
取值范围：0x00 ~ 0xFF，bit0=P0, bit7=P7；读取失败返回 false
返回示例：0xF0

示例

local data = exs_pcf8574.read_all()
if data ~= false then
    log.info("exs_pcf8574", string.format("端口数据: 0x%02X", data))
end

4.4.2 exs_pcf8574.write_all(data)

功能

写入 PCF8574 所有引脚状态（字节），一次性设置 8 个引脚的输出状态

参数

data

参数含义：8 位端口数据，每位对应一个引脚
数据类型：number
取值范围：0x00 ~ 0xFF，bit0=P0, bit7=P7
是否必选：是
注意事项：写入 0 的引脚输出低电平（灌电流驱动），写入 1 的引脚变为高阻（内部上拉）
参数示例：0xF0

返回值

含义说明：写入是否成功
数据类型：boolean
返回示例：true

示例

exs_pcf8574.write_all(0xF0)   -- P0~P3 输出低，P4~P7 输出高
exs_pcf8574.write_all(0x00)   -- 全部输出低
exs_pcf8574.write_all(0xFF)   -- 全部输出高

五、版本更新说明

版本号：202608061000

  1. 更新时间：2026-08-06
  2. 更新内容：
    • 初版实现
    • 支持 PCF8574T（0x20~0x27）和 PCF8574AT（0x38~0x3F）地址自动探测
    • 支持硬件 I2C 和软件 I2C
    • 支持 GPIO 输入/输出/中断三种模式
    • 支持批量读写接口（read_all / write_all）
    • 支持 I2C 总线恢复

六、产品支持说明

所有支持 luatos 二次开发的模块，具体可以查看选型手册。

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