Как подключить цифровой сенсор одновременно к входному и выходному сдвиговым регистрам?

Так он ногу контроллера соединит с ногой датчика. И сигналы можно будет гонять в обе стороны. То есть контроллер замыкает сигнал на питание- он замыкается на питание и у выбранного датчика. Контроллер делает свою ногу входом- у датчика конденсатор начинает разряжаться через фототранзистор, а контроллер может это напряжение измерять (в том числе АЦП при необходимости).
Ну и вроде как большинство мультиплексоров аналоговые (чисто схемотехнически их проще сделать производителю микросхем), хотя и входят в серию цифровых микросхем.