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，断断续续两周时间也没有完全理清。购买传感器套件时，商家说该传感器含不可拆卸的电池不能发快递到西藏，所以没有发PCF8591，郁闷！难题先跳过，不能一直死磕，这里先学习部分知识，后面弄懂了，拿到PCF8591再回头完善。当然，不懂原理也不是天大的问题，只要坚持学习，总有一天会懂的，现在明白这个模块是什么作用，怎么用就可以了。
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5个接口：
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
左边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。
pcf8591模块包含了热敏和光敏电阻。
模块共有3个红色短路帽，分别作用如下：
P4 接上P4短路帽，选择热敏电阻接入电路
P5 接上P5短路帽，选择光敏电阻接入电路
P6 接上P6短路帽，选择0-5V可调电压接入电路
下面为芯片引脚定义。
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
控制字节用于实现器件的各种功能，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 自动增益选择（有效位为1）
D5、D4模拟量输入选择：00为四路单数入、01为三路差分输入、10为单端与差分配合输入、11为模拟输出允许有效。
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。
4、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。
具体实现：
程序在进行 A/D 读取数据的时候，共使用了两条程序去读了 2 个字节：I2CReadACK(); val = I2CReadNAK(); PCF8591 的转换时钟是 I2C 的 SCL，8 个SCL 周期完成一次转换，所以当前的转换结果总是在下一个字节的 8 个 SCL 上才能读出，因此我们这里第一条语句的作用是产生一个整体的 SCL 时钟提供给 PCF8591 进行 A/D 转换，第二次是读取当前的转换结果。如果我们只使用第二条语句的话，每次读到的都是上一次的转换结果。
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。可调电阻在传感器上是P6端口，用跳线将P6端口连接。
| 树莓派 | T型转接板 | PCF8591模块 |
|---|---|---|
| SDA | SDA | SDA |
| SCL | SCL | SCL |
| 5V | 5V | VCC |
| GND | GND | GND |
| 双色LED模块 | T型转接板 | PCF8591模块 |
|---|---|---|
| R（红色端口） | * | AOUT |
| GND | GND | GND |
| G（绿色端口） | * | * |
PCF8591实验电路图
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！
#!/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”
# 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)
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) # dummy read to start conversion
return bus.read_byte(address)
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)
if __name__ == "__main__":
setup(0x48)
while True:
print 'AIN0 = ', read(0)
print 'AIN1 = ', read(1)
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”
write(tmp)
# time.sleep(0.3)
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。
#!/usr/bin/env python
import PCF8591 as ADC
def setup():
ADC.setup(0x48)
def loop():
while True:
print ADC.read(0)
ADC.write(ADC.read(3))
def destroy():
ADC.write(0)
if __name__ == "__main__":
try:
setup()
loop()
except KeyboardInterrupt:
destroy()
