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社区首页 >专栏 >树莓派基础实验12:PCF8591模数转换器实验

树莓派基础实验12:PCF8591模数转换器实验

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张国平
发布于 2020-09-27 02:10:51
发布于 2020-09-27 02:10:51
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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。

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

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。

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#!/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03 
#   ADC.write(Value)    # Value范围从0255
#
#------------------------------------------------------
#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-01 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:

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# 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。

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#!/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0~255,0LED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()
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