一、介紹
?? PCF8591 是單片箱蟆、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件帮非，具有4個模擬輸入（其中一個為電壓模擬輸入）、一個模擬輸出和一個串行I2C總線接口博个。3個地址引腳A0怀樟、A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個器件連接至I2C總線而不需要額外硬件盆佣。器件的地址往堡、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向I2C總線傳輸。器件功能包括多路復(fù)用模擬輸入共耍、片上跟蹤和保持功能虑灰、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模擬轉(zhuǎn)換。最大轉(zhuǎn)換速率取決于I2C 總線的最高速率痹兜。
二穆咐、組件
★Raspberry Pi 3主板*1
★樹莓派電源*1
★40P軟排線*1
★PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊*1
★雙色LED模塊*1
★面包板*1
★跳線若干
三、實(shí)驗(yàn)原理
??PCF8591模塊的工作原理比較復(fù)雜，斷斷續(xù)續(xù)一個多月時間才基本理清对湃，本文也經(jīng)過多次修改崖叫，以后也會不斷回頭補(bǔ)充。對于小白來說拍柒，先使用心傀，再明白就可以，不懂原理也不是天大的問題拆讯，只要堅(jiān)持學(xué)習(xí)脂男，總有一天會恍然大悟，后面也推薦有經(jīng)典教材供深入學(xué)習(xí)往果。若有疑問疆液，歡迎留言，看到了就會回復(fù)交流陕贮。
1堕油、I2C總線：
??I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線肮之。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息掉缺。
??主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件戈擒，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件眶明。在總線上主和從、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的筐高，而取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向搜囱。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則主機(jī)首先尋址從器件柑土，然后主動發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件蜀肘，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送；如果主機(jī)要接收從器件的數(shù)據(jù)稽屏，首先由主器件尋址從器件扮宠，然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機(jī)終止接收過程狐榔。在這種情況下坛增，機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送。
??SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向I/O線薄腻，接口電路為開漏輸出收捣，需通過上拉電阻接電源VCC。當(dāng)總線空閑時．兩根線都是高電平庵楷，連接總線的外同器件都是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）器件坏晦，輸出級也是開漏電路。在總線上消耗的電流很小，因此昆婿，總線上擴(kuò)展的器件數(shù)量主要由電容負(fù)載來決定，因?yàn)槊總€器件的總線接口都有一定的等效電容蜓斧。
??主器件用于啟動總線傳送數(shù)據(jù)仓蛆，并產(chǎn)生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件挎春。在總線上主和從看疙、發(fā)和收的關(guān)系不是恒定的，而取決于此時數(shù)據(jù)傳送方向直奋。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件能庆，則主機(jī)首先尋址從器件，然后主動發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件脚线，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送搁胆；如果主機(jī)要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件邮绿，然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)渠旁，最后由主機(jī)終止接收過程。在這種情況下船逮，主機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生定時時鐘和終止數(shù)據(jù)傳送顾腊。
2、引腳定義：
本模塊左邊和右邊分別外擴(kuò)2路排針接口挖胃，分別說明如下：
右邊JP1杂靶， 5對接口：
左排是：
??AOUT 芯片DA輸出接口
??AINO 芯片模擬輸入接口0
??AIN1 芯片模擬輸入接口1
??AIN2 芯片模擬輸入接口2
??AIN3 芯片模擬輸入接口3
右排是：
??GND 接地
??GND 接地
??INPUT2 熱敏電阻接口
??INPUT1 光敏電阻接口
??INPUT0 電位計(jì)接口
左邊J1， 4個接口：
??SCL IIC時鐘接口 接樹莓派的scl口（接樹莓派 I2C1 SCL口）
??SDA IIC數(shù)字接口 接樹莓派的sda口（接單樹莓派 I2C1 SDA口）
??GND 模塊地 外接地（接樹莓派GND）
??VCC 電源接口 外接3.3v-5v （接樹莓派電源）
這里用的是5V酱鸭。
對應(yīng)的端口分別作用如下：
INPUT0端口 用短路帽接上AIN0吗垮，選擇0-5V可調(diào)電壓接入電路
INPUT1端口 用短路帽接上AIN1，選擇光敏電阻接入電路
INPUT2端口 用短路帽接上AIN2凛辣，選擇熱敏電阻接入電路
??PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D及D/A轉(zhuǎn)換器抱既。有4路A/D轉(zhuǎn)換輸入，1路D/A模擬輸出扁誓。I2C總線是Philips公司推出的串行總線防泵，整個系統(tǒng)僅靠數(shù)據(jù)線（SDA）和時鐘線（SCL）實(shí)現(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，即CPU與各個外圍器件僅靠這兩條線實(shí)現(xiàn)信息交換蝗敢。I2C總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的并行總線系統(tǒng)相比具有結(jié)構(gòu)簡單捷泞、可維護(hù)性好、易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展寿谴、易實(shí)現(xiàn)模塊化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)锁右、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
AIN0～AIN3：模擬信號輸入端。
A0～A3：引腳地址端咏瑟。
VDD拂到、VSS：電源端（2.5～6V）
SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線码泞、時鐘線兄旬。
OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端余寥。
EXT：內(nèi)部领铐、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時EXT接地宋舷。
AGND：模擬信號地绪撵。
AOUT：D/A轉(zhuǎn)換輸出端。
VREF：基準(zhǔn)電源端祝蝠。
3音诈、第一字節(jié):器件地址
??PCF8591采用典型的I2C總線接口器件尋址方法，即總線地址由器件地址续膳、引腳地址和方向位組成改艇。飛利蒲公司規(guī)定A/D器件地址為1001。引腳地址為A2A1A0坟岔，其值由用戶選擇谒兄，因此I2C系統(tǒng)中最多可接23=8個具有I2C總線接口的A/D器件。地址的最后一位為方向位R/ 社付，當(dāng)主控器對A/D器件進(jìn)行讀操作時為1承疲，進(jìn)行寫操作時為0∨缚В總線操作時燕鸽，由器件地址、引腳地址和方向位組成的從地址為主控器發(fā)送的第一字節(jié)啼辣。
4啊研、第二字節(jié):控制字節(jié)
??控制字節(jié)用于控制器件的各種功能，如模擬信號由哪幾個通道輸入等鸥拧〉吃叮控制字節(jié)存放在控制寄存器中，總線操作時為主控器發(fā)送的第二字節(jié)富弦。其格式如下所示：
其中：
D1沟娱、D0 兩位是A/D通道編號：00通道0，01通道1腕柜，10通道2济似，11通道3
D2 自動增量選擇（0為禁止自動增量矫废，1為允許自動增量），如果允許自動增量砰蠢，則在每次A/D轉(zhuǎn)換后蓖扑，通道編號會自動遞增。
D3 特征位：固定值為：0娩脾。
D5赵誓、D4 模擬量輸入選擇：00為四路單端輸入、01為三路差分輸入柿赊、10為兩路單端與一路差分輸入、11為兩路差分輸入幻枉。
D6 使能模擬輸出AOUT有效（1為有效碰声，0為無效）。
D7 特征位：固定值為：0熬甫。
后面的編程會遇到胰挑，“bus.write_byte(address,0x40) ” 語句就是發(fā)送控制字“0x40”，40就代表控制字“0100 0000”椿肩，主要表示模擬輸出有效瞻颂，四路單端輸入，禁止自動增量郑象，A/D通道為0贡这。
具體如下圖所示：
??當(dāng)系統(tǒng)為A/D轉(zhuǎn)換時，模擬輸出允許為0厂榛。模擬量輸入選擇位取值由輸入方式?jīng)Q定：四路單端輸入時取00盖矫，三路差分輸入時取01，單端與差分輸入時取10击奶，二路差分輸入時取11辈双。最低兩位時通道編號位，當(dāng)對0通道的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時取00柜砾，當(dāng)對1通道的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時取01湃望，當(dāng)對2通道的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時取10，當(dāng)對3通道的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時取11痰驱。
??在進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時证芭，首先是主控器發(fā)出起始信號，然后發(fā)出讀尋址字節(jié)萄唇，被控器做出應(yīng)答后檩帐，主控器從被控器讀出第一個數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出應(yīng)答另萤，主控器從被控器讀出第二個數(shù)據(jù)字節(jié)湃密，主控器發(fā)出應(yīng)答…一直到主控器從被控器中讀出第n個數(shù)據(jù)字節(jié)诅挑，主控器發(fā)出非應(yīng)答信號，最后主控器發(fā)出停止信號泛源。
5拔妥、A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用開發(fā)流程
?? 一個A/D轉(zhuǎn)換的周期的開始，總是在發(fā)送有效的讀設(shè)備地址給PCF8591之后达箍，A/D轉(zhuǎn)換在應(yīng)答時鐘脈沖的后沿被觸發(fā)没龙。PCF8591的A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)流程，可以分為四個步驟：
1--發(fā)送寫設(shè)備地址缎玫，選擇IIC總線上的PCF8591器件硬纤。
2--發(fā)送控制字節(jié)，選擇模擬量輸入模式和通道赃磨。
3--發(fā)送讀設(shè)備地址筝家，選擇IIC總線上的PCF8591器件。
4--讀取PCF8591中目標(biāo)通道的數(shù)據(jù)邻辉。
(1）溪王、AD的位數(shù)：表明這個AD共有2n個刻度，8位AD值骇，輸出的刻度是0~255. 8591就是8為精度的莹菱，因此它digtalRead的數(shù)據(jù)在0-255之間。
(2)吱瘩、分辨率：就是AD能夠分辨的最小的模擬量變化道伟，假設(shè)5.10V的系統(tǒng)用8位的AD采樣，那么它能分辨的最小電壓就是5.10/255=0.02V搅裙。
??AD轉(zhuǎn)換的原理簡單來理解就是通過電路將非電信號轉(zhuǎn)為電信號皱卓，然后通過一個基準(zhǔn)電壓（PCF8591的基準(zhǔn)電壓是5V），然后判斷這個電信號的電壓高低部逮，然后得到一個0-255（8位精度）的比值娜汁。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
??第1步：在本實(shí)驗(yàn)中兄朋，AIN0（模擬輸入0）端口用于接收來自電位計(jì)模塊的模擬信號掐禁。AOUT（模擬輸出）用于將模擬信號輸出到雙色LED模塊，以便改變LED的亮度颅和。傳感器上可以看見傅事，可調(diào)電阻在傳感器上是標(biāo)識的是“0”，使用INPUT0端口峡扩，用短路帽連接AIN0和INPUT0蹭越。
??光敏電阻模塊是INPUT1端口，熱敏電阻模塊是INPUT2端口教届。
| 樹莓派 | T型轉(zhuǎn)接板 | PCF8591模塊 |
|---|---|---|
| SDA | SDA | SDA |
| SCL | SCL | SCL |
| 5V | 5V | VCC |
| GND | GND | GND |
| 雙色LED模塊 | T型轉(zhuǎn)接板 | PCF8591模塊 |
|---|---|---|
| R（紅色端口） | * | AOUT |
| GND | GND | GND |
| G（綠色端口） | * | * |
??第2步：PCF8591模塊采用的是I2C（IIC）總線進(jìn)行通信的响鹃，但是在樹莓派的鏡像中默認(rèn)是關(guān)閉的驾霜，在使用該傳感器的時候，我們必須首先允許IIC總線通信买置。
??第3步：開始編程粪糙。這里先編寫一個PCF8591.py庫文件，后面再編寫一個python程序引入這個庫文件忿项。
??PCF8591.py庫文件就是PCF8591模塊的程序蓉冈，單獨(dú)編寫是為了便于重用。在這個腳本中轩触，我們使用了一個放大器用于模擬輸入和一個LED燈用于模擬輸出寞酿，模擬輸入不能超過3.3V！
??該程序也可以單獨(dú)運(yùn)行脱柱，用于測試3個電阻模塊的功能熟嫩。需用短路帽連接AIN0和INPUT0（電位計(jì)模塊），連接AIN1和INPUT1（光敏電阻模塊）褐捻，以及連接AIN2和INPUT2（熱敏電阻模塊）。
??連接LED燈椅邓，AIN0（模擬輸入0）端口用于接收來自電位計(jì)模塊的模擬信號柠逞，AOUT（模擬輸出）用于將模擬信號輸出到雙色LED模塊，以便改變LED的亮度景馁。
#!/usr/bin/env python
#------------------------------------------------------
#
# 您可以使用下面語句將此腳本導(dǎo)入另一個腳本：
# “import PCF8591 as ADC”
#
# ADC.Setup(Address) # 查詢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范圍從0到3
# ADC.write(Value) # Value范圍從0到255
#
#------------------------------------------------------
#SMBus (System Management Bus,系統(tǒng)管理總線)
import smbus #在程序中導(dǎo)入“smbus”模塊
import time
# for RPI version 1, use "bus = smbus.SMBus(1)"
# 0 代表 /dev/i2c-0板壮， 1 代表 /dev/i2c-1 ,具體看使用的樹莓派那個I2C來決定
bus = smbus.SMBus(1) #創(chuàng)建一個smbus實(shí)例
#在樹莓派上查詢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) #發(fā)送一個控制字節(jié)到設(shè)備
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) # 從設(shè)備讀取單個字節(jié)，而不指定設(shè)備寄存器合住。
return bus.read_byte(address) #返回某通道輸入的模擬值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值
def write(val):
temp = val # 將字符串值移動到temp
temp = int(temp) # 將字符串改為整數(shù)類型
# print temp to see on terminal else comment out
bus.write_byte_data(address, 0x40, temp)
#寫入字節(jié)數(shù)據(jù)绰精，將數(shù)字值轉(zhuǎn)化成模擬值從AOUT輸出
if __name__ == "__main__":
setup(0x48)
#在樹莓派終端上使用命令“sudo i2cdetect -y 1”，查詢出PCF8591的地址為0x48
while True:
print '電位計(jì) AIN0 = ', read(0) #電位計(jì)模擬信號轉(zhuǎn)化的數(shù)字值
print '光敏電阻 AIN1 = ', read(1) #光敏電阻模擬信號轉(zhuǎn)化的數(shù)字
print '熱敏電阻 AIN2 = ', read(2) #熱敏電阻模擬信號轉(zhuǎn)化的數(shù)字值
tmp = read(0)
tmp = tmp*(255-125)/255+125
# 125以下LED不會亮透葛，所以將“0-255”轉(zhuǎn)換為“125-255”笨使，調(diào)節(jié)亮度時燈不會熄滅
write(tmp)
time.sleep(2)
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??上面的程序中import smbus（System Management BUS靶草，即系統(tǒng)管理總線），SMBUS總線規(guī)范是基于I2C的總線規(guī)范岳遥，但與I2C總線規(guī)范也有一定的區(qū)別奕翔。python smbus 有如下函數(shù)：
# 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：編輯運(yùn)行本次實(shí)驗(yàn)程序。用小平口起子調(diào)節(jié)藍(lán)白色的“103”可變電阻浩蓉，LED燈的亮度會隨之變化派继；同時程序運(yùn)行終端上會不停地打印可變電阻大小A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值宾袜。
??當(dāng)然，這里僅僅用短路帽連接AIN0和INPUT0（電位計(jì)模塊）就可以了互艾，光敏電阻模塊以及熱敏電阻模塊就不需要短路帽連接了试和。
#!/usr/bin/env python
import PCF8591 as ADC
def setup():
ADC.setup(0x48)
def loop():
while True:
print ADC.read(0)
#打印電位計(jì)電壓大小A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值（從AIN0借口輸入的）
#范圍是0~255,0時LED燈熄滅，255時燈最亮
ADC.write(ADC.read(0))
#將0通道輸入的電位計(jì)電壓數(shù)字值轉(zhuǎn)化成模擬值從AOUT輸出
#給LED燈提供電源VCC輸入
def destroy():
ADC.write(0)
if __name__ == "__main__":
try:
setup()
loop()
except KeyboardInterrupt:
destroy()
