一、介紹
?? PCF8591 是單片、單電源低功耗8位CMOS數據采集器件，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。3個地址引腳A0、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。器件的地址、控制和數據通過兩線雙向I2C總線傳輸。器件功能包括多路復用模擬輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數轉換和8位數模擬轉換。最大轉換速率取決于I2C 總線的最高速率。
二、組件
★Raspberry Pi 3主板*1
★樹莓派電源*1
★40P軟排線*1
★PCF8591模數轉換器模塊*1
★雙色LED模塊*1
★面包板*1
★跳線若干
三、實驗原理
??PCF8591模塊的工作原理比較復雜，斷斷續續一個多月時間才基本理清，本文也經過多次修改，以后也會不斷回頭補充。對于小白來說，先使用，再明白就可以，不懂原理也不是天大的問題，只要堅持學習，總有一天會恍然大悟，后面也推薦有經典教材供深入學習。若有疑問，歡迎留言，看到了就會回復交流。
1、I2C總線：
??I2C總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。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。
??主器件用于啟動總線傳送數據，并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。在總線上主和從、發和收的關系不是恒定的，而取決于此時數據傳送方向。如果主機要發送數據給從器件，則主機首先尋址從器件，然后主動發送數據至從器件，最后由主機終止數據傳送；如果主機要接收從器件的數據，首先由主器件尋址從器件，然后主機接收從器件發送的數據，最后由主機終止接收過程。在這種情況下，機負責產生定時時鐘和終止數據傳送。
??SDA（串行數據線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出，需通過上拉電阻接電源VCC。當總線空閑時．兩根線都是高電平，連接總線的外同器件都是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor互補金屬氧化物半導體）器件，輸出級也是開漏電路。在總線上消耗的電流很小，因此，總線上擴展的器件數量主要由電容負載來決定，因為每個器件的總線接口都有一定的等效電容。
??主器件用于啟動總線傳送數據，并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。在總線上主和從、發和收的關系不是恒定的，而取決于此時數據傳送方向。如果主機要發送數據給從器件，則主機首先尋址從器件，然后主動發送數據至從器件，最后由主機終止數據傳送；如果主機要接收從器件的數據，首先由主器件尋址從器件，然后主機接收從器件發送的數據，最后由主機終止接收過程。在這種情況下，主機負責產生定時時鐘和終止數據傳送。
2、引腳定義：
本模塊左邊和右邊分別外擴2路排針接口，分別說明如下：
右邊JP1， 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。
對應的端口分別作用如下：
INPUT0端口 用短路帽接上AIN0，選擇0-5V可調電壓接入電路
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，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轉換器。有4路A/D轉換輸入，1路D/A模擬輸出。I2C總線是Philips公司推出的串行總線，整個系統僅靠數據線（SDA）和時鐘線（SCL）實現完善的全雙工數據傳輸，即CPU與各個外圍器件僅靠這兩條線實現信息交換。I2C總線系統與傳統的并行總線系統相比具有結構簡單、可維護性好、易實現系統擴展、易實現模塊化標準化設計、可靠性高等優點。
AIN0～AIN3：模擬信號輸入端。
A0～A3：引腳地址端。
VDD、VSS：電源端（2.5～6V）
SDA、SCL：I2C總線的數據線、時鐘線。
OSC：外部時鐘輸入端，內部時鐘輸出端。
EXT：內部、外部時鐘選擇線，使用內部時鐘時EXT接地。
AGND：模擬信號地。
AOUT：D/A轉換輸出端。
VREF：基準電源端。
3、第一字節: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、引腳地址和方向位組成。飛利蒲公司規定A/D器件地址為1001。引腳地址為A2A1A0，其值由用戶選擇，因此I2C系統中最多可接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/ ，當主控器對A/D器件進行讀操作時為1，進行寫操作時為0?？偩€操作時，由器件地址、引腳地址和方向位組成的從地址為主控器發送的第一字節。
4、第二字節:控制字節
??控制字節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?？刂谱止澊娣旁诳刂萍拇嫫髦?，總線操作時為主控器發送的第二字節。其格式如下所示：
其中：
D1、D0 兩位是A/D通道編號：00通道0，01通道1，10通道2，11通道3
D2 自動增量選擇（0為禁止自動增量，1為允許自動增量），如果允許自動增量，則在每次A/D轉換后，通道編號會自動遞增。
D3 特征位：固定值為：0。
D5、D4 模擬量輸入選擇：00為四路單端輸入、01為三路差分輸入、10為兩路單端與一路差分輸入、11為兩路差分輸入。
D6 使能模擬輸出AOUT有效（1為有效，0為無效）。
D7 特征位：固定值為：0。
后面的編程會遇到，“bus.write_byte(address,0x40) ” 語句就是發送控制字“0x40”，40就代表控制字“0100 0000”，主要表示模擬輸出有效，四路單端輸入，禁止自動增量，A/D通道為0。
具體如下圖所示：
??當系統為A/D轉換時，模擬輸出允許為0。模擬量輸入選擇位取值由輸入方式決定：四路單端輸入時取00，三路差分輸入時取01，單端與差分輸入時取10，二路差分輸入時取11。最低兩位時通道編號位，當對0通道的模擬信號進行A/D轉換時取00，當對1通道的模擬信號進行A/D轉換時取01，當對2通道的模擬信號進行A/D轉換時取10，當對3通道的模擬信號進行A/D轉換時取11。
??在進行數據操作時，首先是主控器發出起始信號，然后發出讀尋址字節，被控器做出應答后，主控器從被控器讀出第一個數據字節，主控器發出應答，主控器從被控器讀出第二個數據字節，主控器發出應答…一直到主控器從被控器中讀出第n個數據字節，主控器發出非應答信號，最后主控器發出停止信號。
5、A/D轉換應用開發流程
?? 一個A/D轉換的周期的開始，總是在發送有效的讀設備地址給PCF8591之后，A/D轉換在應答時鐘脈沖的后沿被觸發。PCF8591的A/D轉換程序設計流程，可以分為四個步驟：
1--發送寫設備地址，選擇IIC總線上的PCF8591器件。
2--發送控制字節，選擇模擬量輸入模式和通道。
3--發送讀設備地址，選擇IIC總線上的PCF8591器件。
4--讀取PCF8591中目標通道的數據。
(1）、AD的位數：表明這個AD共有2n個刻度，8位AD，輸出的刻度是0~255. 8591就是8為精度的，因此它digtalRead的數據在0-255之間。
(2)、分辨率：就是AD能夠分辨的最小的模擬量變化，假設5.10V的系統用8位的AD采樣，那么它能分辨的最小電壓就是5.10/255=0.02V。
??AD轉換的原理簡單來理解就是通過電路將非電信號轉為電信號，然后通過一個基準電壓（PCF8591的基準電壓是5V），然后判斷這個電信號的電壓高低，然后得到一個0-255（8位精度）的比值。
四、實驗步驟
??第1步：在本實驗中，AIN0（模擬輸入0）端口用于接收來自電位計模塊的模擬信號。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。傳感器上可以看見，可調電阻在傳感器上是標識的是“0”，使用INPUT0端口，用短路帽連接AIN0和INPUT0。
??光敏電阻模塊是INPUT1端口，熱敏電阻模塊是INPUT2端口。
| 樹莓派 | T型轉接板 | 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）總線進行通信的，但是在樹莓派的鏡像中默認是關閉的，在使用該傳感器的時候，我們必須首先允許IIC總線通信。
??第3步：開始編程。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。
??PCF8591.py庫文件就是PCF8591模塊的程序，單獨編寫是為了便于重用。在這個腳本中，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，模擬輸入不能超過3.3V！
??該程序也可以單獨運行，用于測試3個電阻模塊的功能。需用短路帽連接AIN0和INPUT0（電位計模塊），連接AIN1和INPUT1（光敏電阻模塊），以及連接AIN2和INPUT2（熱敏電阻模塊）。
??連接LED燈，AIN0（模擬輸入0）端口用于接收來自電位計模塊的模擬信號，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。
#!/usr/bin/env python
#------------------------------------------------------
#
# 您可以使用下面語句將此腳本導入另一個腳本：
# “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,系統管理總線)
import smbus #在程序中導入“smbus”模塊
import time
# for RPI version 1, use "bus = smbus.SMBus(1)"
# 0 代表 /dev/i2c-0， 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) #創建一個smbus實例
#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) #發送一個控制字節到設備
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) # 從設備讀取單個字節，而不指定設備寄存器。
return bus.read_byte(address) #返回某通道輸入的模擬值A/D轉換后的數字值
def write(val):
temp = val # 將字符串值移動到temp
temp = int(temp) # 將字符串改為整數類型
# print temp to see on terminal else comment out
bus.write_byte_data(address, 0x40, temp)
#寫入字節數據，將數字值轉化成模擬值從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 AIN0 = ', read(0) #電位計模擬信號轉化的數字值
print '光敏電阻 AIN1 = ', read(1) #光敏電阻模擬信號轉化的數字
print '熱敏電阻 AIN2 = ', read(2) #熱敏電阻模擬信號轉化的數字值
tmp = read(0)
tmp = tmp*(255-125)/255+125
# 125以下LED不會亮，所以將“0-255”轉換為“125-255”，調節亮度時燈不會熄滅
write(tmp)
time.sleep(2)
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??上面的程序中import smbus（System Management BUS，即系統管理總線），SMBUS總線規范是基于I2C的總線規范，但與I2C總線規范也有一定的區別。python smbus 有如下函數：
# 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：編輯運行本次實驗程序。用小平口起子調節藍白色的“103”可變電阻，LED燈的亮度會隨之變化；同時程序運行終端上會不停地打印可變電阻大小A/D轉換后的數字值。
??當然，這里僅僅用短路帽連接AIN0和INPUT0（電位計模塊）就可以了，光敏電阻模塊以及熱敏電阻模塊就不需要短路帽連接了。
#!/usr/bin/env python
import PCF8591 as ADC
def setup():
ADC.setup(0x48)
def loop():
while True:
print ADC.read(0)
#打印電位計電壓大小A/D轉換后的數字值（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通道輸入的電位計電壓數字值轉化成模擬值從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()
