STM32软件模拟IIC驱动PCA9555：时序、寄存器与避坑指南

简介：这份资源面向使用STM32F103进行嵌入式开发的工程师与学习者，聚焦于用GPIO软件模拟IIC时序来驱动PCA9555这款16位IO扩展芯片，解决单片机IO口不足、需要外扩端口的实际问题。压缩包共127个文件，约2MB，以32个c源文件与33个h头文件为核心，涵盖STM32标准外设库、PCA9555读写驱动及主程序逻辑，另含14个o、14个d编译中间文件、13个crf、1个hex与1个axf等构建产物，以及uvprojx、uvoptx工程配置和sct、lst、map等链接与列表文件，可直接用Keil打开编译。资源已有4838人学习下载，热度较高。读者可从中获得完整的模拟IIC底层时序实现、PCA9555寄存器读写封装、GPIO推挽输出与上拉配置范例，以及可复用的工程模板与排错参考，适合需要快速验证IO扩展方案的中初级开发者。

1. 为什么我宁愿用软件模拟 IIC 去驱动 PCA9555

手上这块 STM32F103 的板子，硬件 IIC 外设被前人拿去接了别的从机，留给扩展 IO 的只剩两根普通 GPIO。项目又急着要读一组按键和驱动几路继电器，PCA9555 这颗 16 位 IO 扩展芯片正好合适，可总线资源已经没了。翻了一圈资料，发现用软件模拟 IIC 访问 PCA9555 是条稳妥的路子，时序完全由自己掌控，不用跟硬件外设的坑较劲。这篇就把我实际跑通的模拟 IIC 方案拆开讲清楚，从时序原理到寄存器读写，再到踩过的几个坑，新手照着能复现，熟手也能对照看看边界在哪。

2. 模拟 IIC 的时序底座与 PCA9555 寄存器模型

2.1 为什么模拟 IIC 在这类场景反而更省心

STM32F103 的硬件 IIC 外设，用过的人多少都听过一些玄学问题，比如总线锁死、状态机卡在某个标志位出不来。当然这些问题在正确配置下大多能规避，但在一个 IO 资源紧张、又不想花时间调硬件外设的场合，软件模拟的性价比就出来了。模拟 IIC 的本质就是用两根 GPIO 手动翻转电平，去复现 IIC 协议的起始、停止、应答和字节传输。它的好处是时序可见、可打断点、可加延时，出问题一眼能看出是哪一拍不对。代价是占用 CPU 时间，速率上不去，通常跑到 100kHz 左右比较稳，再快就要看主频和延时函数的精度了。

PCA9555 这边，它是一颗通过 IIC 挂载的 16 位 IO 扩展器，分成两个 8 位端口 Port0 和 Port1。每个端口有输入寄存器、输出寄存器、极性反转寄存器和配置寄存器。配置寄存器决定某个引脚是输入还是输出，这一点和 STM32 的 GPIO 模式寄存器思路类似。上电后所有引脚默认是输入，这点要记住，不然你会发现自己写输出寄存器没反应，其实是引脚还处在输入态。

2.2 模拟 IIC 的四个基本时序单元

模拟 IIC 要跑通，核心就是四个动作：起始条件、停止条件、发送一个字节、接收一个字节并回应答。起始条件是 SCL 为高时 SDA 由高变低，停止条件是 SCL 为高时 SDA 由低变高。发送字节时，数据在 SCL 低电平期间变化，在 SCL 高电平期间保持稳定，从机在这期间采样。接收字节类似，只是方向反过来，主机在第八个时钟后拉低 SDA 表示应答。

下面这段是起始和停止的代码，我一般把 SDA 和 SCL 都配成开漏输出，外接上拉电阻。开漏的好处是总线可以多设备共享，不会出现推挽对推挽的短路。

// 假设 SDA 接 PB7，SCL 接 PB6，均配置为开漏输出 #define IIC_SDA_H() GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_7 // SDA 拉高 #define IIC_SDA_L() GPIOB->BRR = GPIO_Pin_7 // SDA 拉低 #define IIC_SCL_H() GPIOB->BSRR = GPIO_Pin_6 #define IIC_SCL_L() GPIOB->BRR = GPIO_Pin_6 #define IIC_SDA_READ() ((GPIOB->IDR & GPIO_Pin_7) ? 1 : 0) // 起始条件：SCL 高时 SDA 由高变低 void IIC_Start(void) { IIC_SDA_H(); IIC_SCL_H(); IIC_Delay(); // 延时约 4~5us，对应 100kHz 左右 IIC_SDA_L(); IIC_Delay(); IIC_SCL_L(); // 钳住总线，准备发送数据 IIC_Delay(); } // 停止条件：SCL 高时 SDA 由低变高 void IIC_Stop(void) { IIC_SDA_L(); IIC_SCL_H(); IIC_Delay(); IIC_SDA_H(); IIC_Delay(); }

这里的IIC_Delay()是个简单的空循环或__NOP()组合，具体循环次数要按主频算。72MHz 下我一般用几个__NOP()凑出 4us 左右。延时太短从机可能来不及采样，太长则速率掉得厉害。这个延时是模拟 IIC 最容易被忽略的参数，很多人代码逻辑没错，就是延时不对导致读回来全是 0xFF 或 0x00。

2.3 PCA9555 的寄存器地址与读写命令字

PCA9555 的 IIC 从机地址由 A2、A1、A0 三个引脚决定，7 位地址是0100 A2 A1 A0。如果三个脚都接地，7 位地址就是 0x20，写命令字是 0x40，读命令字是 0x41。注意这里说的是 8 位命令字，也就是 7 位地址左移一位再或上读写位。

它的寄存器命令字节有 8 个，分两组，每组四个：

写寄存器时，先发写命令字，再发寄存器命令字节，然后发数据。读寄存器时，先发写命令字，再发寄存器命令字节，然后重新发起始条件，发读命令字，再读数据。这个「写命令字节再重启读」的流程是 PCA9555 读操作的关键，漏掉重启直接读会拿到错误数据。

3. 从零把模拟 IIC 读写 PCA9555 跑起来

3.1 GPIO 初始化与延时函数

先把两个 IO 配好。我习惯用标准库，寄存器操作也行，这里用标准库写法更直观。SDA 和 SCL 都配成开漏输出，速度选 50MHz 够用。注意开漏模式下必须外接上拉，一般 4.7k 到 10k 都行，板子上如果没有就要自己补。

void IIC_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; // 开漏输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); IIC_SDA_H(); IIC_SCL_H(); } // 粗略延时，72MHz 下约 4us，按需调整 void IIC_Delay(void) { uint8_t i = 20; while (i--) { __NOP(); } }

延时这里给的是个经验值，实际要用示波器或逻辑分析仪看一眼 SCL 频率。没有仪器的话，可以先用保守的大延时把功能跑通，再逐步减小到通信稳定为止。我一般会留一档余量，不追求极限速率。

3.2 字节收发与应答处理

发送一个字节是高位先发，每发一位拉低 SCL，放好数据，再拉高 SCL 让从机采样。发完八位后释放 SDA，读从机的应答位。接收字节则是主机释放 SDA，从机驱动，主机在 SCL 高电平期间读取。

// 发送一个字节，返回从机应答：0 应答，1 非应答 uint8_t IIC_SendByte(uint8_t byte) { uint8_t i, ack; for (i = 0; i < 8; i++) { IIC_SCL_L(); IIC_Delay(); if (byte & 0x80) IIC_SDA_H(); else IIC_SDA_L(); byte <<= 1; IIC_Delay(); IIC_SCL_H(); IIC_Delay(); } IIC_SCL_L(); IIC_Delay(); IIC_SDA_H(); // 释放 SDA，准备读应答 IIC_Delay(); IIC_SCL_H(); IIC_Delay(); ack = IIC_SDA_READ(); // 0 表示从机应答 IIC_SCL_L(); IIC_Delay(); return ack; } // 接收一个字节，ack=0 发送应答，ack=1 发送非应答 uint8_t IIC_ReadByte(uint8_t ack) { uint8_t i, byte = 0; IIC_SDA_H(); // 主机释放 SDA for (i = 0; i < 8; i++) { IIC_SCL_L(); IIC_Delay(); IIC_SCL_H(); IIC_Delay(); byte <<= 1; if (IIC_SDA_READ()) byte |= 0x01; } IIC_SCL_L(); IIC_Delay(); if (ack) IIC_SDA_H(); // 非应答 else IIC_SDA_L(); // 应答 IIC_Delay(); IIC_SCL_H(); IIC_Delay(); IIC_SCL_L(); IIC_Delay(); IIC_SDA_H(); return byte; }

IIC_SendByte返回的应答位一定要检查。如果返回 1，说明从机没应答，常见原因是地址不对、接线松了或者上拉没接。我早期调试时就是没看应答，结果后面读出来全是 0xFF，查了半天才发现是从机地址算错了。

3.3 写 PCA9555 配置寄存器与输出寄存器

配置寄存器决定引脚方向。假设我要把 Port0 的低四位设成输出驱动继电器，高四位设成输入读按键，那 Port0 配置寄存器的值就是 0xF0。写的时候先发写命令字 0x40，再发寄存器命令字节 0x03，再发 0xF0。

#define PCA9555_ADDR_W 0x40 #define PCA9555_ADDR_R 0x41 // 写一个寄存器 void PCA9555_WriteReg(uint8_t reg, uint8_t data) { IIC_Start(); IIC_SendByte(PCA9555_ADDR_W); IIC_SendByte(reg); IIC_SendByte(data); IIC_Stop(); } // 初始化：Port0 低四位输出，高四位输入 void PCA9555_Init(void) { PCA9555_WriteReg(0x03, 0xF0); // Port0 配置 PCA9555_WriteReg(0x07, 0xFF); // Port1 全输入 PCA9555_WriteReg(0x01, 0x00); // Port0 输出全低 }

写输出寄存器就是往 0x01 写值。比如要点亮接在 P0_0 上的 LED，就写 0x01。这里要注意，输出寄存器的值只有在配置寄存器对应位为 0 时才真正驱动到引脚上，配置为输入的位写输出寄存器不影响引脚。

3.4 读 PCA9555 输入寄存器

读操作要复杂一点，先写命令字和寄存器命令字节，再重启发读命令字，然后读一个字节，最后发非应答再停止。

// 读一个寄存器 uint8_t PCA9555_ReadReg(uint8_t reg) { uint8_t data; IIC_Start(); IIC_SendByte(PCA9555_ADDR_W); IIC_SendByte(reg); IIC_Start(); // 重启 IIC_SendByte(PCA9555_ADDR_R); data = IIC_ReadByte(1); // 读一个字节，发非应答 IIC_Stop(); return data; } // 读 Port0 输入 uint8_t PCA9555_ReadPort0(void) { return PCA9555_ReadReg(0x00); }

读回来的值就是引脚当前电平。如果某个输入引脚悬空，读回来可能是随机跳变的，所以输入引脚最好有确定的上拉或下拉。我一般用内部上拉或者外部上拉，避免悬空带来的误判。

4. 模拟 IIC 访问 PCA9555 的避坑与排查

4.1 从机不应答，读回全是 0xFF

现象是发送命令字后IIC_SendByte返回 1，后续读数据全是 0xFF。原因通常是地址算错、SDA/SCL 接反或者上拉缺失。PCA9555 的 7 位地址是0100 A2 A1 A0，如果 A2A1A0 都接地，写命令字是 0x40。有人会直接把 0x20 当写命令字发，那就错了。解决方法是先用万用表确认 A2A1A0 的电平，再核对命令字，同时确认 SDA 和 SCL 没有接反，上拉电阻是否焊上。

4.2 写输出寄存器没反应

现象是往输出寄存器写了值，但引脚电平不变。原因多半是配置寄存器没设成输出。PCA9555 上电默认所有引脚为输入，配置寄存器对应位是 1。要输出必须先写配置寄存器把对应位清 0。解决方法是先写配置寄存器，再写输出寄存器，顺序不能反。另外确认写的是正确的端口，Port0 和 Port1 的寄存器地址不同。

4.3 读输入寄存器数据跳变

现象是读回来的输入值不稳定，偶尔跳变。原因是输入引脚悬空，没有确定电平。解决方法是给输入引脚加上拉或下拉，或者启用 PCA9555 的内部上拉（如果有的话，具体看型号手册）。软件上也可以在读之前多读几次取稳定值，但根本办法还是硬件上给确定电平。

4.4 通信偶尔失败，重启后恢复

现象是跑一段时间后通信失败，断电重启又好了。原因可能是总线被干扰，或者延时太短导致时序临界。解决方法是适当加大IIC_Delay的延时，降低通信速率，同时在 SDA 和 SCL 上并一个小电容滤波。另外检查电源是否稳定，PCA9555 供电波动也会导致通信异常。

4.5 多字节读写时数据错位

现象是连续读写多个寄存器时，第二个字节开始错位。原因是 PCA9555 支持地址自增，连续读写时寄存器地址会自动加一。如果你不想自增，每次操作都要重新发起始条件并发送寄存器命令字节。解决方法是明确自己的读写意图，要么利用自增连续读写，要么每次单独寻址。

5. 把模拟 IIC 封装成可复用驱动与验证方法

5.1 封装成独立驱动文件

把模拟 IIC 的底层和 PCA9555 的操作分成两个文件，底层只管起始、停止、收发字节，PCA9555 文件只管寄存器和业务逻辑。这样换一个从机，底层不用动。我一般会定义一组函数指针或者宏，方便换 IO 口。

// pca9555.h #ifndef __PCA9555_H #define __PCA9555_H #include "stm32f10x.h" #define PCA9555_ADDR_W 0x40 #define PCA9555_ADDR_R 0x41 void PCA9555_Init(void); void PCA9555_WriteReg(uint8_t reg, uint8_t data); uint8_t PCA9555_ReadReg(uint8_t reg); void PCA9555_WritePort0(uint8_t data); uint8_t PCA9555_ReadPort0(void); #endif

封装好之后，业务层只调PCA9555_WritePort0和PCA9555_ReadPort0，不用关心 IIC 时序。这样代码可读性和可维护性都好很多。

5.2 用回环测试验证时序

没有逻辑分析仪的时候，我会用一个简单的回环测试验证模拟 IIC 时序。把 PCA9555 的某个输出引脚和某个输入引脚短接，写输出再读输入，看是否一致。一致说明时序和寄存器操作都对。这个方法虽然土，但很有效，能快速定位是时序问题还是寄存器配置问题。

// 回环测试：P0_0 输出，P0_4 输入，短接 P0_0 和 P0_4 void PCA9555_LoopbackTest(void) { PCA9555_WriteReg(0x03, 0xEF); // P0_4 输入，其余输出 PCA9555_WritePort0(0x01); // P0_0 输出高 if (PCA9555_ReadPort0() & 0x10) { // P0_4 读到高，回环成功 } PCA9555_WritePort0(0x00); // P0_0 输出低 if (!(PCA9555_ReadPort0() & 0x10)) { // P0_4 读到低，回环成功 } }

这个测试能覆盖起始、停止、发送、接收和应答的完整流程，跑通了基本说明模拟 IIC 没问题。

5.3 速率与稳定性的取舍

模拟 IIC 的速率和稳定性是一对矛盾。延时越小速率越高，但越容易受干扰和主频波动影响。我一般会把延时设到通信稳定的最小值再留 20% 余量。比如稳定跑 100kHz 需要 5us 延时，我就设 6us。这样温度变化或电源波动时不容易翻车。另外，如果系统里有中断会打断 IIC 时序，最好在 IIC 操作期间关中断，或者保证中断服务程序足够短。

从那以后我每次做模拟 IIC，都会先用回环测试把时序跑通，再上真实从机，最后用逻辑分析仪看一眼波形。这个习惯帮我省了很多返工时间。希望帮到你。

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