树莓派基础实验12：PCF8591模数转换器实验

一、介绍

   PCF8591 是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入（其中一个为电压模拟输入）、一个模拟输出和一个串行I2C总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位数模拟转换。最大转换速率取决于I2C 总线的最高速率。

二、组件

★Raspberry Pi 3主板*1

★树莓派电源*1

★40P软排线*1

★PCF8591模数转换器模块*1

★双色LED模块*1

★面包板*1

★跳线若干

三、实验原理

PCF8591模数转换器

  PCF8591模块的工作原理比较复杂，断断续续一个多月时间才基本理清，本文也经过多次修改，以后也会不断回头补充。对于小白来说，先使用，再明白就可以，不懂原理也不是天大的问题，只要坚持学习，总有一天会恍然大悟，后面也推荐有经典教材供深入学习。若有疑问，欢迎留言，看到了就会回复交流。 1、I2C总线：   I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。   主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件，然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下，机负责产生定时时钟和终止数据传送。

I2C总线

  SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出，需通过上拉电阻接电源VCC。当总线空闲时．两根线都是高电平，连接总线的外同器件都是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体）器件，输出级也是开漏电路。在总线上消耗的电流很小，因此，总线上扩展的器件数量主要由电容负载来决定，因为每个器件的总线接口都有一定的等效电容。   主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件，然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下，主机负责产生定时时钟和终止数据传送。

2、引脚定义： 本模块左边和右边分别外扩2路排针接口，分别说明如下：

PCF8591

右边JP1， 5对接口： 左排是：   AOUT 芯片DA输出接口   AINO 芯片模拟输入接口0   AIN1 芯片模拟输入接口1   AIN2 芯片模拟输入接口2   AIN3 芯片模拟输入接口3 右排是：   GND 接地   GND 接地   INPUT2 热敏电阻接口   INPUT1 光敏电阻接口   INPUT0 电位计接口 左边J1， 4个接口：   SCL IIC时钟接口 接树莓派的scl口（接树莓派 I2C1 SCL口）   SDA IIC数字接口 接树莓派的sda口（接单树莓派 I2C1 SDA口）   GND 模块地 外接地（接树莓派GND）   VCC 电源接口 外接3.3v-5v （接树莓派电源） 这里用的是5V。

对应的端口分别作用如下： INPUT0端口 用短路帽接上AIN0，选择0-5V可调电压接入电路

INPUT1端口 用短路帽接上AIN1，选择光敏电阻接入电路

INPUT2端口 用短路帽接上AIN2，选择热敏电阻接入电路

PCF8591模数转换器原理图

  PCF8591是具有I2C总线接口的8位A/D及D/A转换器。有4路A/D转换输入，1路D/A模拟输出。I2C总线是Philips公司推出的串行总线，整个系统仅靠数据线（SDA）和时钟线（SCL）实现完善的全双工数据传输，即CPU与各个外围器件仅靠这两条线实现信息交换。I2C总线系统与传统的并行总线系统相比具有结构简单、可维护性好、易实现系统扩展、易实现模块化标准化设计、可靠性高等优点。 AIN0～AIN3：模拟信号输入端。

A0～A3：引脚地址端。

VDD、VSS：电源端（2.5～6V）

SDA、SCL：I2C总线的数据线、时钟线。

OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。

EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地。

AGND：模拟信号地。

AOUT：D/A转换输出端。

VREF：基准电源端。

PCF8591结构图

3、第一字节:器件地址

PCF8591地址字节

  PCF8591采用典型的I2C总线接口器件寻址方法，即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。飞利蒲公司规定A/D器件地址为1001。引脚地址为A2A1A0，其值由用户选择，因此I2C系统中最多可接23=8个具有I2C总线接口的A/D器件。地址的最后一位为方向位R/ ，当主控器对A/D器件进行读操作时为1，进行写操作时为0。总线操作时，由器件地址、引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。

4、第二字节:控制字节

  控制字节用于控制器件的各种功能，如模拟信号由哪几个通道输入等。控制字节存放在控制寄存器中，总线操作时为主控器发送的第二字节。其格式如下所示：

PCF8591 控制字节

其中： D1、D0 两位是A/D通道编号：00通道0，01通道1，10通道2，11通道3 D2 自动增量选择（0为禁止自动增量，1为允许自动增量），如果允许自动增量，则在每次A/D转换后，通道编号会自动递增。 D3 特征位：固定值为：0。

D5、D4 模拟量输入选择：00为四路单端输入、01为三路差分输入、10为两路单端与一路差分输入、11为两路差分输入。 D6 使能模拟输出AOUT有效（1为有效，0为无效）。 D7 特征位：固定值为：0。

后面的编程会遇到，“bus.write_byte(address,0x40) ” 语句就是发送控制字“0x40”，40就代表控制字“0100 0000”，主要表示模拟输出有效，四路单端输入，禁止自动增量，A/D通道为0。

具体如下图所示：

控制字

  当系统为A/D转换时，模拟输出允许为0。模拟量输入选择位取值由输入方式决定：四路单端输入时取00，三路差分输入时取01，单端与差分输入时取10，二路差分输入时取11。最低两位时通道编号位，当对0通道的模拟信号进行A/D转换时取00，当对1通道的模拟信号进行A/D转换时取01，当对2通道的模拟信号进行A/D转换时取10，当对3通道的模拟信号进行A/D转换时取11。

  在进行数据操作时，首先是主控器发出起始信号，然后发出读寻址字节，被控器做出应答后，主控器从被控器读出第一个数据字节，主控器发出应答，主控器从被控器读出第二个数据字节，主控器发出应答…一直到主控器从被控器中读出第n个数据字节，主控器发出非应答信号，最后主控器发出停止信号。

5、A/D转换应用开发流程

   一个A/D转换的周期的开始，总是在发送有效的读设备地址给PCF8591之后，A/D转换在应答时钟脉冲的后沿被触发。PCF8591的A/D转换程序设计流程，可以分为四个步骤： 1--发送写设备地址，选择IIC总线上的PCF8591器件。 2--发送控制字节，选择模拟量输入模式和通道。 3--发送读设备地址，选择IIC总线上的PCF8591器件。 4--读取PCF8591中目标通道的数据。 (1）、AD的位数：表明这个AD共有2n个刻度，8位AD，输出的刻度是0~255. 8591就是8为精度的，因此它digtalRead的数据在0-255之间。 (2)、分辨率：就是AD能够分辨的最小的模拟量变化，假设5.10V的系统用8位的AD采样，那么它能分辨的最小电压就是5.10/255=0.02V。

  AD转换的原理简单来理解就是通过电路将非电信号转为电信号，然后通过一个基准电压（PCF8591的基准电压是5V），然后判断这个电信号的电压高低，然后得到一个0-255（8位精度）的比值。

四、实验步骤

第1步：在本实验中，AIN0（模拟输入0）端口用于接收来自电位计模块的模拟信号。AOUT（模拟输出）用于将模拟信号输出到双色LED模块，以便改变LED的亮度。传感器上可以看见，可调电阻在传感器上是标识的是“0”，使用INPUT0端口，用短路帽连接AIN0和INPUT0。   光敏电阻模块是INPUT1端口，热敏电阻模块是INPUT2端口。

PCF8591实验电路图

PCF8591实验实物连接图

第2步：PCF8591模块采用的是I2C（IIC）总线进行通信的，但是在树莓派的镜像中默认是关闭的，在使用该传感器的时候，我们必须首先允许IIC总线通信。

打开I2C总线通信

第3步：开始编程。这里先编写一个PCF8591.py库文件，后面再编写一个python程序引入这个库文件。   PCF8591.py库文件就是PCF8591模块的程序，单独编写是为了便于重用。在这个脚本中，我们使用了一个放大器用于模拟输入和一个LED灯用于模拟输出，模拟输入不能超过3.3V！   该程序也可以单独运行，用于测试3个电阻模块的功能。需用短路帽连接AIN0和INPUT0（电位计模块），连接AIN1和INPUT1（光敏电阻模块），以及连接AIN2和INPUT2（热敏电阻模块）。   连接LED灯，AIN0（模拟输入0）端口用于接收来自电位计模块的模拟信号，AOUT（模拟输出）用于将模拟信号输出到双色LED模块，以便改变LED的亮度。

#!/usr/bin/env python
#------------------------------------------------------
#
#       您可以使用下面语句将此脚本导入另一个脚本：
#           “import PCF8591 as ADC”                
#   
#   ADC.Setup(Address)  # 查询PCF8591的地址：“sudo i2cdetect -y 1”
# i2cdetect  is  a  userspace  program to scan an I2C bus for devices.
# It outputs a table with the list of detected devices on the specified bus.
#   ADC.read(channal)   # Channal范围从0到3 
#   ADC.write(Value)    # Value范围从0到255
#
#------------------------------------------------------
#SMBus (System Management Bus,系统管理总线) 
import smbus   #在程序中导入“smbus”模块
import time

# for RPI version 1, use "bus = smbus.SMBus(1)"
# 0 代表 /dev/i2c-0， 1 代表 /dev/i2c-1 ,具体看使用的树莓派那个I2C来决定
bus = smbus.SMBus(1)         #创建一个smbus实例

#在树莓派上查询PCF8591的地址：“sudo i2cdetect -y 1”
def setup(Addr):
    global address
    address = Addr

def read(chn): #channel
    if chn == 0:
        bus.write_byte(address,0x40)   #发送一个控制字节到设备
    if chn == 1:
        bus.write_byte(address,0x41)
    if chn == 2:
        bus.write_byte(address,0x42)
    if chn == 3:
        bus.write_byte(address,0x43)
    bus.read_byte(address)         # 从设备读取单个字节，而不指定设备寄存器。
    return bus.read_byte(address)  #返回某通道输入的模拟值A/D转换后的数字值

def write(val):
    temp = val  # 将字符串值移动到temp
    temp = int(temp) # 将字符串改为整数类型
    # print temp to see on terminal else comment out
    bus.write_byte_data(address, 0x40, temp) 
    #写入字节数据，将数字值转化成模拟值从AOUT输出

if __name__ == "__main__":
    setup(0x48) 
 #在树莓派终端上使用命令“sudo i2cdetect -y 1”，查询出PCF8591的地址为0x48
    while True:
        print '电位计   AIN0 = ', read(0)   #电位计模拟信号转化的数字值
        print '光敏电阻 AIN1 = ', read(1)   #光敏电阻模拟信号转化的数字
        print '热敏电阻 AIN2 = ', read(2)   #热敏电阻模拟信号转化的数字值
        tmp = read(0)
        tmp = tmp*(255-125)/255+125 
# 125以下LED不会亮，所以将“0-255”转换为“125-255”，调节亮度时灯不会熄灭
        write(tmp)
        time.sleep(2)

  上面的程序中import smbus（System Management BUS，即系统管理总线），SMBUS总线规范是基于I2C的总线规范，但与I2C总线规范也有一定的区别。python smbus 有如下函数：

# Send only the read / write bit 
long write_quick(int addr)
 
# Read a single byte from a device, without specifying a device register. 
long read_byte(int addr)
 
# Send a single byte to a device 
long write_byte(int addr, char val)
 
# Read Byte Data transaction. 
long read_byte_data(int addr, char cmd)
 
# Write Byte Data transaction. 
long write_byte_data(int addr, char cmd, char val)
 
# Read Word Data transaction. 
long read_word_data(int addr, char cmd)
 
# Write Word Data transaction. 
long write_word_data(int addr, char cmd, int val)
 
# Process Call transaction. 
long process_call(int addr, char cmd, int val)
 
#Read Block Data transaction.  
long[] read_block_data(int addr, char cmd)
    
# Write up to 32 bytes to a device.  This fucntion adds an initial byte indicating the 
# length of the vals array before the valls array.  Use write_i2c_block_data instead! 
write_block_data(int addr,char cmd,long vals[])
 
# Block Process Call transaction.  
long[] block_process_call(int addr, char cmd, long vals[])
 
   
# I2C Access Functions
# Block Read transaction. 
long[] read_i2c_block_data(int addr, char cmd)
 
#Block Write transaction. 
write_i2c_block_data(int addr, char cmd, long vals[])
 
 
#Code Example
 
#!/usr/bin/python
 
import smbus
 
bus = smbus.SMBus(1)    # 0 = /dev/i2c-0 (port I2C0), 1 = /dev/i2c-1 (port I2C1)
 
DEVICE_ADDRESS = 0x15      #7 bit address (will be left shifted to add the read write bit)
DEVICE_REG_MODE1 = 0x00
DEVICE_REG_LEDOUT0 = 0x1d
 
#Write a single register
bus.write_byte_data(DEVICE_ADDRESS, DEVICE_REG_MODE1, 0x80)
 
#Write an array of registers
ledout_values = [0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff]
bus.write_i2c_block_data(DEVICE_ADDRESS, DEVICE_REG_LEDOUT0, ledout_values)

第4步：编辑运行本次实验程序。用小平口起子调节蓝白色的“103”可变电阻，LED灯的亮度会随之变化；同时程序运行终端上会不停地打印可变电阻大小A/D转换后的数字值。   当然，这里仅仅用短路帽连接AIN0和INPUT0（电位计模块）就可以了，光敏电阻模块以及热敏电阻模块就不需要短路帽连接了。

#!/usr/bin/env python
import PCF8591 as ADC

def setup():
    ADC.setup(0x48)

def loop():
    while True:
        print ADC.read(0) 
  #打印电位计电压大小A/D转换后的数字值（从AIN0借口输入的）
  #范围是0~255,0时LED灯熄灭，255时灯最亮
        ADC.write(ADC.read(0)) 
  #将0通道输入的电位计电压数字值转化成模拟值从AOUT输出
  #给LED灯提供电源VCC输入

def destroy():
    ADC.write(0)

if __name__ == "__main__":
    try:
        setup()
        loop()
    except KeyboardInterrupt:
        destroy()