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TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

释放双眼，带上耳机，听听看~！

在本教程中，您将学习如何使用 TCA9458A 1 至 8 I2C 多路复用器扩展 I2C 总线端口（ESP32、ESP8266、Arduino）。如果要控制具有相同 I2C 地址的多个 I2C 设备，则此硬件非常有用。例如，多个OLED显示器，或多个传感器，如BME280。

TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

本教程兼容 ESP32、ESP8266 和 Arduino 开发板。我们将使用 Arduino IDE 对电路板进行编程。

 目录

在本教程中，我们将介绍以下主题：

  • 介绍TCA9548A I2C多路复用器
  • TCA9548A 多路复用器特性
  • TCA9548A 多路复用器 I2C 地址
  •  TCA9548A引脚排列
  • TCA9548A 多路复用器选择 I2C 总线
  • 示例 1：连接多个 OLED 显示器
  • 示例 2：连接多个 I2C 传感器 （BME280）

介绍 TCA9548A 1 至 8 I2C 多路复用器

TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

I2C 通信协议允许您在同一 I2C 总线上与多个 I2C 设备进行通信，只要所有设备都具有唯一的 I2C 地址。但是，如果要连接具有相同地址的多个 I2C 设备，它将不起作用。

TCA9548A I2C 多路复用器允许您使用相同的 I2C 总线与多达 8 个 I2C 设备进行通信。多路复用器使用 I2C 通信协议与微控制器通信。然后，您可以在多路复用器上选择要寻址的 I2C 总线。

要寻址特定端口，只需向多路复用器发送一个具有所需输出端口号的字节。

TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

TCA9548A 多路复用器特性

以下是其主要功能的摘要：

  • 1 至 8 个双向平移开关
  •  /RESET输入
  • 3 个地址引脚 — 同一 I2C 总线上最多 8 个TCA9548A器件
  • 通过 I2C 总线选择通道
  • 工作电源电压范围：1.65V至5.5V
  •  5V 容限引脚

有关更详细的说明，请参阅数据表。

TCA9548A 多路复用器 I2C 地址

TCA9548A多路复用器使用 I2C 通信协议与微控制器通信。因此，它需要一个 I2C 地址。多路复用器的地址是可配置的。您可以通过调整 A0、A1 和 A2 引脚的值从 0x70 到 0x77 中选择一个值，如下表所示。

A0 A1 A2  I2C 地址
LOW LOW LOW 0x70
 HIGH LOW LOW 0x71
LOW HIGH LOW 0x72
 HIGH  HIGH LOW 0x73
LOW LOW  HIGH 0x74
 HIGH LOW  HIGH 0x75
LOW HIGH  HIGH 0x76
 HIGH  HIGH  HIGH 0x77

因此，您最多可以将 8 个TCA9548A多路复用器连接到同一 I2C 总线，这将允许您仅使用微控制器的一个 I2C 总线连接具有相同地址的 64 个设备。

例如，如果将 A0、A1 和 A2 连接到 GND，则会为多路复用器设置地址0x70。

 TCA9548A引脚排列

下表介绍了TCA9584A引脚排列。

Pin  描述
VIN  为多路复用器供电
GND  连接到 GND
SDA 连接到主微控制器 SDA 引脚
SCL 连接到主微控制器 SCL 引脚
RST 低电平有效RST引脚—可用于复位多路复用器
A0 选择多路复用器 I2C 地址 — 连接到 GND 或 VCC
A1 选择多路复用器 I2C 地址 — 连接到 GND 或 VCC
A2 选择多路复用器 I2C 地址 — 连接到 GND 或 VCC
SD0  通道 0 的 SDA
SC0  通道 0 的 SCL
SD1  通道 1 的 SDA
SC1  通道 1 的 SCL
SD2  通道 2 的 SDA
SC2  通道 2 的 SCL
SD3  通道 3 的 SDA
SC3  通道 3 的 SCL
SD4  通道 4 的 SDA
SC4  通道 4 的 SCL
SD5  通道 5 的 SDA
SC5  通道 5 的 SCL
SD6  通道 6 的 SDA
SC6  通道 6 的 SCL
SD7  通道 7 的 SDA
SC7  通道 7 的 SCL

TCA9548A I2C 多路复用器 选择 I2C 总线

如前所述，要选择特定的 I2C 总线来读/写数据，只需向多路复用器发送一个具有所需输出端口号（0 到 7）的字节。

为此，您可以简单地使用以下用户定义的函数：

void TCA9548A(uint8_t bus){
  Wire.beginTransmission(0x70);  // TCA9548A address is 0x70
  Wire.write(1 << bus);          // send byte to select bus
  Wire.endTransmission();
  Serial.print(bus);
}

然后，您只需要调用该函数，并在发送 I2C 命令之前将要控制的端口总线号作为参数传递。例如，要控制连接到总线编号 3 的设备，您需要在调用其他 I2C 命令之前调用以下行（请注意，它从 0 开始）：

TCA9548A(2);

您将在以下各节中通过实际示例了解其工作原理。

控制多个OLED显示器—TCA9548A I2C多路复用器

在本节中，我们将向您展示如何控制多个OLED显示器。例如，我们将控制四个 OLED 显示器，但您最多可以连接 8 个显示器。

 所需零件

下面是此示例所需的部件列表：

  • 微控制器（ESP32、ESP8266、Arduino 或其他）;
  • TCA9548A I2C 多路复用器
  • 多个OLED显示屏（最多8个）
  •  面包板
  •  跳线

带有I2C多路复用器电路的多个OLED显示器

连接四个OLED显示器，如下图所示。我们使用的是 2、3、4 和 5 路公交车。您可以选择任何其他端口号。

我们还将 A0、A1 和 A2 连接到 GND。这将选择多路复用器的地址0x70。

TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

以下是默认的 I2C 引脚，具体取决于您使用的微控制器：

 微控制器  I2C 引脚
ESP32 GPIO 22 （SCL）、GPIO 21 （SDA）
ESP8266 通用IO 5 （D1） （SCL）， 通用IO 4 （D2） （SDA）
 Arduino Uno的  A5 （SCL）， A4 （SDA）

多个OLED显示器，带I2C多路复用器代码

控制显示器就像控制一台显示器一样简单。您只需要考虑选择正确的 I2C 总线，然后再发送写入显示器的命令。

 安装库

我们将使用以下库来控制OLED显示器。确保您已安装以下库：

您可以使用Arduino库管理器安装库。转到“程序”>“包括库”>“管理库”，然后搜索库名称。

如果将 VS Code 与 PlatformIO 扩展一起使用，请将以下内容复制到 platformio.ini 文件以包含库。

lib_deps = adafruit/Adafruit SSD1306@^2.4.6
	adafruit/Adafruit GFX Library@^1.10.10

安装库后，可以继续。

将以下代码复制到 Arduino IDE 并将其上传到开发板。它将立即起作用。

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);

// Select I2C BUS
void TCA9548A(uint8_t bus){
  Wire.beginTransmission(0x70);  // TCA9548A address
  Wire.write(1 << bus);          // send byte to select bus
  Wire.endTransmission();
  Serial.print(bus);
}
 
void setup() {
  Serial.begin(115200);

  // Start I2C communication with the Multiplexer
  Wire.begin();

  // Init OLED display on bus number 2
  TCA9548A(2);
  if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for(;;);
  } 
  // Clear the buffer
  display.clearDisplay();

  // Init OLED display on bus number 3
  TCA9548A(3);
  if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for(;;);
  } 
  // Clear the buffer
  display.clearDisplay();

  // Init OLED display on bus number 4
  TCA9548A(4);
  if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for(;;);
  } 
  // Clear the buffer
  display.clearDisplay();

  // Init OLED display on bus number 5
  TCA9548A(5);
  if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for(;;);
  } 
  // Clear the buffer
  display.clearDisplay();

  // Write to OLED on bus number 2
  TCA9548A(2);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(8);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(45, 10);
  // Display static text
  display.println("1");
  display.display(); 

  // Write to OLED on bus number 3
  TCA9548A(3);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(8);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(45, 10);
  // Display static text
  display.println("2");
  display.display(); 
  
  // Write to OLED on bus number 4
  TCA9548A(4);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(8);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(45, 10);
  // Display static text
  display.println("3");
  display.display(); 
  
  // Write to OLED on bus number 5
  TCA9548A(5);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(8);
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setCursor(45, 10);
  // Display static text
  display.println("4");
  display.display(); 
}
 
void loop() {
  
}

代码的工作原理

继续阅读以了解代码的工作原理，或跳到演示部分。

首先，导入控制OLED显示器所需的库：Adafruit_GFX和Adafruit_SSD1306。使用 I2C 通信协议需要 Wire 库。

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

定义OLED的宽度和高度。

#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64

创建一个Adafruit_SSD1306实例以与OLED显示器通信。

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);

您可以使用同一实例与所有显示器进行通信。在这种情况下，您需要在写入另一个 OLED 之前清除显示缓冲区 （display.clearDisplay()）。

或者，您可以创建多个 Adafruit_SSD1306 实例，每个 OLED 一个。在这种情况下，无需清除缓冲区。在本节末尾，我们将向您展示一个包含多个实例的示例。

选择 I2C 通道

可以调用 TCA9548A() 函数来选择要与之通信的总线。它向多路复用器发送一个带有端口号的字节。

// Select I2C BUS
void TCA9548A(uint8_t bus){
  Wire.beginTransmission(0x70);  // TCA9548A address
  Wire.write(1 << bus);          // send byte to select bus
  Wire.endTransmission();
  Serial.print(bus);
}

每当要选择 I2C 端口时，都必须调用此函数。

 setup()

在 setup() 中，初始化串行通信以进行调试。

Serial.begin(115200);

在默认 I2C 引脚上与 I2C 多路复用器启动 I2C 通信。

Wire.begin();

然后，初始化每个显示器。以下几行显示了第一个OLED显示器（它连接到2号总线）的示例。

//Init OLED display on bus number 2
TCA9548A(2);
if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
  Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
  for(;;);
} 
// Clear the buffer
display.clearDisplay();

初始化其他显示器与此类似，但您需要使用相应的 I2C 总线号调用 TCA9548A() 函数。

然后，在显示器上写入一些内容。别忘了，每次要在OLED之间切换时，都需要调用TCA9548A()函数。在向OLED写入任何内容之前，您还需要清除显示缓冲区。

// Write to OLED on bus number 2
TCA9548A(2);
display.clearDisplay();
display.setTextSize(8);
display.setTextColor(WHITE);
display.setCursor(45, 10);
// Display static text
display.println("1");
display.display();

在这种情况下，我们只是在每个显示器上打印一个不同的数字。这是 OLED 编号 4 的示例（它连接到总线编号 5）。

// Write to OLED on bus number 5
TCA9548A(5);
display.clearDisplay();
display.setTextSize(8);
display.setTextColor(WHITE);
display.setCursor(45, 10);
// Display static text
display.println("4");
display.display();

这几乎就是代码的工作方式。

下面的代码显示了一个类似的示例，但使用了多个Adafruit_SSD1306实例。请注意，在写入显示器之前，无需清除缓冲区。

 示范

将代码上传到您的看板。这是你应该得到的。

TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

如您所见，使用I2C多路复用器控制多个显示不同图形的OLED显示器非常容易。

读取多个 BME280 传感器—TCA9548A I2C 多路复用器

在本节中，您将学习如何使用 TCA9548A I2C 多路复用器从多个 BME280 传感器读取数据。我们将从 4 个传感器读取数据，但您最多可以连接 8 个传感器。

TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

 所需零件

下面是此示例所需的部件列表：

  • 微控制器（ESP32、ESP8266、Arduino 或其他）;
  • TCA9548A I2C 多路复用器
  • 多个 BME280 传感器（最多 8 个）
  •  面包板
  •  跳线

多个 BME280 传感器，带有 I2C 多路复用器电路

连接四个 BME280 传感器，如下图所示。我们使用的是 2、3、4 和 5 路公交车。您可以选择任何其他端口号。

我们还将 A0、A1 和 A2 连接到 GND。这将选择多路复用器的地址0x70。

TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

以下是默认的 I2C 引脚，具体取决于您使用的微控制器：

 微控制器  I2C 引脚
ESP32 GPIO 22 （SCL）、GPIO 21 （SDA）
ESP8266 通用IO 5 （D1） （SCL）， 通用IO 4 （D2） （SDA）
 Arduino Uno的  A5 （SCL）， A4 （SDA）

多个 BME280 传感器，带 I2C 多路复用器代码

与OLED显示器类似，从多个传感器读取数据就像控制单个传感器一样简单。在与传感器通信之前，您只需要考虑选择正确的 I2C 总线即可。

 安装库

我们将使用以下库从 BME280 传感器读取数据。确保您已安装以下库：

您可以使用Arduino库管理器安装库。转到“程序”>“包括库”>“管理库”，然后搜索库名称。

如果将 VS Code 与 PlatformIO 扩展一起使用，请将以下内容复制到 platformio.ini 文件以包含库。

lib_deps = adafruit/Adafruit Unified Sensor @ ^1.1.4
            adafruit/Adafruit BME280 Library @ ^2.1.2

安装库后，可以继续。

将以下代码复制到 Arduino IDE 并将其上传到开发板。它将立即起作用。

代码的工作原理

继续阅读以了解代码的工作原理，或跳到演示部分。

首先，导入控制 BME280 显示器所需的库：Adafruit_BME280 和 Adafruit_Sensor。使用 I2C 通信协议需要 Wire 库。

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BME280.h>

然后，您需要创建多个 Adafruit_BME280 实例，每个传感器一个：bme1、bme2、bme3 和 bme4。

Adafruit_BME280 bme1; // I2C
Adafruit_BME280 bme2; // I2C
Adafruit_BME280 bme3; // I2C
Adafruit_BME280 bme4; // I2C

选择 I2C 通道

可以调用 TCA9548A() 函数来选择要与之通信的总线。它向多路复用器发送一个带有端口号的字节。

// Select I2C BUS
void TCA9548A(uint8_t bus){
  Wire.beginTransmission(0x70);  // TCA9548A address
  Wire.write(1 << bus);          // send byte to select bus
  Wire.endTransmission();
  Serial.print(bus);
}

每当要选择 I2C 端口时，都必须调用此函数。

 printValues() 函数

然后，我们创建一个函数 printValues()，它允许我们在串行监视器中打印每个传感器的值。这个函数允许我们传递Adafruit_BME280实例及其总线。

在函数内部，我们通过调用 TCA9548A() 函数并将总线作为参数传递来选择要与之通信的 I2C 总线。

TCA9548A (bus);

然后，我们使用常用函数从传感器获取读数。

Serial.print("Sensor number on bus");
Serial.println(bus);
Serial.print("Temperature = ");
Serial.print(bme.readTemperature());
Serial.println(" *C");
  
Serial.print("Pressure = ");
Serial.print(bme.readPressure() / 100.0F);
Serial.println(" hPa");

Serial.print("Approx. Altitude = ");
Serial.print(bme.readAltitude(SEALEVELPRESSURE_HPA));
Serial.println(" m");

Serial.print("Humidity = ");
Serial.print(bme.readHumidity());
Serial.println(" %");

 setup()

在 setup() 中，初始化串行通信以进行调试。

Serial.begin(115200);

在默认 I2C 引脚上与 I2C 多路复用器启动 I2C 通信。

Wire.begin();

然后，初始化每个传感器。以下几行显示了第一个 BME280 传感器的示例（它连接到总线编号 2，它指的是 bme1 实例）。

//Init sensor on bus number 2
TCA9548A(2);
if (!bme1.begin(0x76)) {
  Serial.println("Could not find a valid BME280 sensor on bus 2, check wiring!");
  while (1);
}
Serial.println();

初始化其他传感器与此类似，但您需要使用相应的 I2C 总线号调用 TCA9548A() 函数。另外，不要忘记每个传感器都有自己的实例。

 loop()

在 loop() 中，我们为每个传感器调用 printValues() 函数。

printValues(bme1, 2);
printValues(bme2, 3);
printValues(bme3, 4);
printValues(bme4, 5);

这几乎就是代码的工作方式。

 示范

将代码上传到您的看板。以 115200 的波特率打开串行监视器。每个传感器的读数将显示在串行监视器上。

TCA9548A I2C 多路复用器教程：ESP32、ESP8266、Arduino

 总结

本教程介绍了如何使用 TCA9548A I2C 多路复用器向微控制器添加更多 I2C 端口。如果要连接具有相同 I2C 地址的多个设备，这将特别有用。此外，多路复用器本身的 I2C 地址可以从 0x70 更改为 0x77。这使我们能够同时连接多达 8 个多路复用器，从而允许您控制 64 个设备。

本教程中展示的示例与 ESP32、ESP8266 和 Arduino 开发板兼容。

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