深入解析 CAT9555：16 位 I²C 和 SMBus I/O 端口扩展器

在硬件设计中，当我们需要为 I²C 和 SMBus 兼容应用扩展更多的输入/输出端口时，CAT9555 这款 CMOS 设备就成了一个不错的选择。今天，我们就来深入了解一下 CAT9555 的特性、应用及工作原理。

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一、CAT9555 概述

CAT9555 是一款能够为 I²C 和 SMBus 兼容应用提供 16 位并行输入/输出端口扩展的设备。它适用于众多需要额外 I/O 的场景，如传感器、电源开关、LED、按钮和风扇等应用。该设备由两个 8 位配置端口（可设置为输入或输出）、输入、输出和极性反转寄存器，以及一个与 I²C/SMBus 兼容的串行接口组成。

二、关键特性

电气特性

• 电压兼容性：支持 2.3V 至 5.5V 的工作电压，并且 400kHz I²C 总线兼容，能够适应不同的电源环境。
• 低功耗：具有低待机电流，有助于降低系统整体功耗。
• 高耐压：I/O 端口具有 5V 容限，提高了设备的可靠性。
• 驱动能力：具备高驱动能力，可直接驱动一些负载。

功能特性

• 灵活配置：16 个 I/O 引脚可在通电时默认设置为输入，并且可以通过写入配置寄存器将任意引脚配置为输入或输出。
• 极性反转：系统主设备可以通过写入极性反转寄存器来反转输入数据。
• 中断功能：拥有一个低电平有效的中断输出，当输入状态发生变化时，会向系统主设备发出信号。
• 地址扩展：三个地址输入引脚提供了设备的扩展寻址能力，允许最多八个设备共享同一总线。

其他特性

• 复位与抗干扰：内部具备上电复位功能，上电时无毛刺，并且在 SDA/SCL 输入上有噪声滤波器，增强了设备的稳定性。
• 封装与环保：采用 24 引脚 TSSOP 封装，并且该设备无铅、无卤/无溴化阻燃剂，符合 RoHS 标准。

三、引脚说明

TSSOP	Pin Name	Function
1	INT	中断输出（开漏）
2	A1	地址输入 1
3	A2	地址输入 2
4 - 11	I/O 0.0 - I/O 0.7	I/O 端口 0.0 至 I/O 端口 0.7
12	VSS	接地
13 - 20	I/O 1.0 - I/O 1.7	I/O 端口 1.0 至 I/O 端口 1.7
21	A0	地址输入 0
22	SCL	串行时钟
23	SDA	串行数据
24	VCC	电源供应

各引脚功能详细介绍

• SCL（串行时钟）：作为串行时钟输入，为所有传入或传出设备的数据提供时钟信号。如果由开漏输出驱动，SCL 线需要上拉电阻。
• SDA（串行数据/地址）：双向串行数据/地址引脚，用于传输所有进出设备的数据。SDA 引脚是开漏输出，可以与其他开漏或开集电极输出进行线或操作，需要连接一个上拉电阻到 VCC。
• A0、A1、A2（设备地址输入）：用于扩展寻址能力，这些引脚应硬连接到 VCC 或 VSS，通过不同的组合可以在单个总线系统上对最多八个 CAT9555 进行寻址。
• I/O 端口：任何这些引脚都可以配置为输入或输出。当配置为输入时，输出晶体管关闭，形成高阻抗输入并带有弱上拉电阻；当配置为输出时，推挽输出级启用。
• INT（中断输出）：开漏中断输出，当配置为输入的端口引脚状态发生变化时激活，输入恢复到先前状态或读取输入端口寄存器时中断停用。

四、电气参数

绝对最大额定值

Parameters	Ratings	Unit
VCC 相对于地	-0.5 至 +6.5	V
任何引脚相对于地的电压	-0.5 至 +5.5	V
I/O 引脚的直流电流	±50	mA
直流输入电流	±20	mA
VCC 电源电流	160	mA
VSS 电源电流	200	mA
封装功耗能力（TA = 25°C）	1.0	W
结温	+150	°C
存储温度	-65 至 +150	°C

直流工作特性

在不同的工作条件下，CAT9555 有相应的直流工作参数，如供应电压、供应电流、输入输出电压和电流等。例如，在工作模式下，VCC = 5.5V，无负载，fSCL = 100kHz 时，供应电流最大为 200μA。

交流特性

包括时钟频率、START 条件保持时间、LOW 和 HIGH 时间等参数。例如，时钟频率范围为 100kHz，START 条件保持时间在快速 I²C 模式下最小为 0.6μs。

五、I²C 总线协议

数据传输规则

• 数据传输只能在总线不忙时启动。
• 在数据传输期间，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定，否则会被解释为 START 或 STOP 条件。

START 和 STOP 条件

• START 条件：SCL 为高电平时，SDA 从高到低的转变，是所有命令的前置条件。
• STOP 条件：SCL 为高电平时，SDA 从低到高的转变，所有操作必须以 STOP 条件结束。

设备寻址

总线主设备发送 START 条件后，需要发送一个从设备地址字节来启用 CAT9555 进行读写操作。从设备地址的前四位固定为二进制 0100，接下来的三位 A2、A1、A0 用于选择设备，第 8 位是 R/W 位，用于指定读写操作。

确认机制

每个接收设备在成功接收数据后需要生成一个确认信号，通过在第九个时钟周期下拉 SDA 线来表示。CAT9555 在接收 START 条件和从设备地址后会响应确认信号，在读写操作中也会根据情况进行确认。

六、内部寄存器

寄存器列表

Command (hex)	Register
0h	输入端口 0
1h	输入端口 1
2h	输出端口 0
3h	输出端口 1
4h	极性反转端口 0
5h	极性反转端口 1
6h	配置端口 0
7h	配置端口 1

各寄存器功能

• 输入端口寄存器：只读端口，反映 I/O 引脚的输入逻辑电平，写入操作将被忽略。
• 输出端口寄存器：设置 I/O 端口的输出逻辑电平，对定义为输入的引脚无效，读取时反映控制输出的触发器的值。
• 极性反转寄存器：允许用户反转输入端口寄存器数据的极性，设置为“1”时对应输入数据反转，设置为“0”时保留原始极性。
• 配置寄存器：设置端口的方向，设置为“1”时对应端口引脚为高阻抗输入，设置为“0”时为输出。上电时，I/O 配置为带有弱上拉电阻到 VCC 的输入。

寄存器读写操作

• 写入操作：通过 I²C 总线将数据发送到 CAT9555 寄存器，寄存器以四个寄存器对的方式操作，发送一个寄存器的数据后，下一个数据字节将发送到配对的另一个寄存器。
• 读取操作：根据命令字节定义的寄存器，数据将在 SDA 线上串行发送，读取第一个字节后，后续读取将反映配对寄存器的数据，当主设备不确认数据字节并发出 STOP 条件时，传输停止。

七、上电复位操作

当电源施加到 VCC 引脚时，内部上电复位脉冲将 CAT9555 保持在复位状态，直到 VCC 达到 VPOR 电平，此时复位条件释放，内部状态机和寄存器初始化为默认状态。

八、应用领域

CAT9555 适用于多种应用场景，如白色家电（洗碗机、洗衣机）、手持设备（手机、PDA、数码相机）和数据通信（路由器、集线器和服务器）等。

九、订购信息

目前可订购的型号为 CAT9555YI - T2，采用 TSSOP 封装，标准引脚镀层为亚光锡。所有封装均符合 RoHS 标准。

在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择和使用 CAT9555，充分发挥其优势。你在使用类似 I/O 扩展器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。