PCF8591使用及Python控制

INTRODUCTION

大家一定對(duì)于PCF8591芯片，對(duì)于其中的A0、A1、A2、channel0-channel3、AIN0-AIN3、AOUT、SCL、SDA等等以及I2C協(xié)議有著很大的困惑。同時(shí)也沒有完全理解Python代碼中的0x40、0x41、0x42、0x43、0x48到底是什么，bus.write_byte(0x48, 0x40) bus.write_byte(0x48, 0x40, value) bus.read_byte(0x48)這些代碼到底控制什么。

這篇文章將幫助大家理清以上內(nèi)容。

一、PCF8591與Raspberry Pi的關(guān)系

做一個(gè)很簡單的形象化，將整個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)進(jìn)水/出水裝置。

裝置有四根進(jìn)水管，分別命名為AIN0, AIN1, AIN2, AIN3，還有唯一一根出水管，命名為AOUT。還有四個(gè)中轉(zhuǎn)通道，分別命名為channel0, channel1, channel2, channel3，從四根進(jìn)水管進(jìn)來的水可以受控制地從某一個(gè)通道中流出，進(jìn)入總管道，之后通過兩根出水管道——SDA和SCL，進(jìn)入一個(gè)水的加工處理儲(chǔ)存設(shè)備。

Raspberry PI是“MASTER”，PCF是“SLAVER”，他們之間是主從關(guān)系。如果主器件要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則會(huì)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，并發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，最后終止數(shù)據(jù)傳輸；如果主器件想要接受從器件發(fā)來的數(shù)據(jù)，同樣也是發(fā)出命令啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，接收從器件發(fā)來的數(shù)據(jù)，最后終止接收過程。

強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：每次數(shù)據(jù)傳輸都是由“MASTER”主動(dòng)開啟的。

是否清晰了一些？理清總的關(guān)系以后我們?cè)賮砜淳唧w細(xì)節(jié)。

二、PCF的地址與A0-A2引腳

一個(gè)“MASTER”不可能只有一個(gè)“SLAVER”。所以對(duì)于“MASTER”來說，需要給“SLAVERS”編號(hào)，以便控制、命令。這個(gè)編號(hào)也就是PCF地址。地址的編碼規(guī)則如下圖：

可以看出，這是一個(gè)七位二進(jìn)制數(shù)，前四位是fixed number，后三位分別對(duì)應(yīng)PCF的三個(gè)引腳——A0, A1, A2。每一個(gè)引腳的值都可以是0或1，一共2^3=8種排列方式，也即一共8個(gè)可使用的地址。所以一個(gè)“MASTER”最多能同時(shí)控制8個(gè)“SLAVER”。對(duì)于PCF8591來說，其default address為0x48(十六進(jìn)制數(shù))，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)是1001000，所以可以知道他的A0、A1、A2三個(gè)引腳值均為0。

需要再提前強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，Python代碼中所有0x十六進(jìn)制數(shù)，只有0x48代表Address，也只有PCF擁有Address，其余所有十六進(jìn)制數(shù)都不代表Address。(這是一個(gè)天坑)

三、I2C協(xié)議與SDA SCL

“MASTER”與“SLAVERS”之間需要有溝通交流，給“SLAVER”分配工作或是讓“SLAVER”匯報(bào)工作，并告知“SLAVER”如何做。所以他們之間有一個(gè)特定的溝通方式，這個(gè)溝通方式就叫I^2 C通信協(xié)議(Inter-Integrated Circuit)。I^2 C總線需要兩根線來實(shí)現(xiàn)連接于總線上的器件之間的信息傳輸，一根是SDA(Serial Data)串行數(shù)據(jù)線，另一根是SCL(Serial Clock)串行時(shí)鐘線。

下圖是AD convert的I2C數(shù)據(jù)傳輸流程。

是不是很令人迷惑？沒關(guān)系，形象化的解釋來了。之前有說過，I2C就是一種溝通方式，所以這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸流程，就可以理解為在I2C這種特定溝通方式下的一次溝通。講的更通俗一點(diǎn)，就是一次聊天對(duì)話。如何理解？

聊天的第一步，是拿出手機(jī)打開微信。(對(duì)應(yīng)START condition，當(dāng)SDA和SCL兩條線的電平同時(shí)滿足某一特定條件時(shí)，傳輸開始。)

打開微信后需要找一個(gè)聯(lián)系人才能聊天，我們之前說“MASTER”有很多“SLAVERS”，這一步便是“MASTER”選擇與某一個(gè)“SLAVER”對(duì)話。(對(duì)應(yīng)ADDRESS。)

第三步，“MASTER”確定這次對(duì)話的目的的給“SLAVER”分配活兒干，還是讓“SLAVER”干完活后匯報(bào)。(對(duì)應(yīng)R/W，R means read，W means write，控制這次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康氖菢漭蓪懭胍粋€(gè)值到PCF中，還是樹莓派從PCF中讀取一個(gè)值。)

可以看到有很多ACK。ACK means Acknowledge character，即確認(rèn)字符，意思是數(shù)據(jù)接收者告訴數(shù)據(jù)傳輸者，“已收到”。

之后便是數(shù)據(jù)傳輸，每傳輸一個(gè)byte的數(shù)據(jù)，都會(huì)反饋一個(gè)ACK確認(rèn)數(shù)據(jù)收到。

四、Python代碼控制讀取/寫入值

import smbus

import time

if __name__ == "__main__":

bus=smbus.SMBus(1)

bus.write_byte(0x48,0x42)

bus.read_byte(0x48)

while True:

num= bus.read_byte(0x48)

print(num)

bus.write_byte_data(0x48,0x42,160)

time.sleep(0.01)

其實(shí)代碼非常簡單。之前參考文獻(xiàn)給出的代碼令人迷惑的原因主要是自定義了很多方法。現(xiàn)在用最簡單的辦法寫出來，用到的核心方法只有三個(gè)：

bus.read_byte(ADDRESS)

bus.write_byte(ADDRESS, CONTROL_byte)

bus.write_byte_data(ADDRESS, CONTROL_byte, value)

顧名思義，read_byte就是從PCF中讀取一個(gè)byte的數(shù)據(jù), write_byte就是向PCF中寫入一個(gè)byte的數(shù)據(jù)，write_byte_data就是像PCF中寫入data。

有人就會(huì)問了，write_byte和write_byte_data有什么區(qū)別？

還記得在PART1中強(qiáng)調(diào)的點(diǎn)嗎？每次數(shù)據(jù)傳輸一定是由“MASTER”主動(dòng)開啟的，所以write_byte的目的是明確“MASTER”與哪個(gè)“SLAVER”對(duì)話，建立聯(lián)系，并以一個(gè)“CONTROL byte”告知“SLAVER”如何工作，并不傳輸value。這也是為什么代碼中的第一步是bus.read_byte(0x48)

樹莓派主動(dòng)開啟對(duì)話，與0x48地址對(duì)應(yīng)的PCF8591建立聯(lián)系，并通過一個(gè)CONTROL byte明確工作模式(Analog Input Mode)。

第二個(gè)問題來了，CONTROL byte是什么？那不是個(gè)地址嗎？

這時(shí)候應(yīng)該要想起PART2強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容(只有0x48是地址)。write_byte方法的第二個(gè)傳參是一個(gè)CONTROL byte。

這是官方文檔對(duì)于CONTROL byte的解釋。8位二進(jìn)制碼，其中第一位和第五位都是fixed number—0，可被編寫的部分是第二位——代表是否開啟AOUT輸出口，0表示不開啟，1表示開啟，只有該位是1的時(shí)候，DA才會(huì)工作，數(shù)字信號(hào)被轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)從AOUT端口輸出；第三四位——代表四種不同的analog input mode，用以明確AIN端口與channel之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。

在第一幅圖中有一個(gè)大大的問號(hào)，analog input mode便是明確這個(gè)問號(hào)。有兩種對(duì)應(yīng)關(guān)系：一種是single-ended，即一對(duì)一。例如在00模式下，從channel0中讀到的數(shù)據(jù)就是AIN0口輸入的模擬量經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值，00模式的四個(gè)AIN端口都是分別一一對(duì)應(yīng)于一個(gè)channel；在10模式下，AIN0和AIN1是一一對(duì)應(yīng)channel0和channel1。另外一種對(duì)應(yīng)關(guān)系是differential，即差分。例如在01模式下，channel0的值是AIN0與AIN3的差值；在10模式下，channel2的值是AIN2與AIN3的差值。

CONTROL byte的第七八位是AD channel number，用來控制從哪個(gè)channel讀取數(shù)據(jù)。第六位是auto-increment，值為1時(shí)，每次讀取數(shù)據(jù)都會(huì)自動(dòng)切換channel，第一次讀channel0的數(shù)據(jù)，下一次讀到的就是channel1的數(shù)據(jù)，以此類推。

在Python代碼中，CONTROL byte是一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后就是八位二進(jìn)制。控制方法為：確定CONTROL byte中可編碼位上你想要的取值，得到一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制數(shù)，輸入Python方法。

講到這里后就幾乎結(jié)束了大部分的內(nèi)容。繼續(xù)代碼示例，read_byte，讀值過程不需要CONTROL byte，所以傳參只有ADDRESS。

可以看到，在真正讀取想要的num之前，還有一次空讀。這是因?yàn)镻CF8591在接到讀取命令后，同時(shí)進(jìn)行上一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸及本次的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，所以第一次空讀的數(shù)據(jù)是一個(gè)不確定的數(shù)，第一次的空讀只是為了啟動(dòng)下一次正常的讀取。

bus.write_byte_data(0x48,0x42,160)

write_byte_data這個(gè)方法再多解釋一下，寫入的值會(huì)直接作為一個(gè)digital value，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后以電壓形式的模擬量從AOUT口輸出。我們使用的PCF8591是一個(gè)8bits的AD/DA轉(zhuǎn)換器，8bits的意思是AD/DA共有 2^8=256個(gè)刻度，所以傳輸?shù)膁igital值范圍是0-255。舉個(gè)例子，你希望從AOUT口輸出一個(gè)3.13V的電壓給LED燈，應(yīng)該寫入的值為3.13v/5v*255=160(這里ADC接5v的基準(zhǔn)電壓)，但是實(shí)際上用電壓表測(cè)得此時(shí)LED燈兩端電壓為2.64v，與理想值有一定誤差。

五、Something More

我?guī)缀鯂L試了所有的analog input mode，將麥克風(fēng)接入不同的AIN口，選擇不同的channel，用示波器/電壓表+python畫出的圖進(jìn)行了很多很多實(shí)驗(yàn)，在差分模式下還是有很多難以解釋的試驗(yàn)現(xiàn)象，但是基本可以肯定整個(gè)原理是沒有錯(cuò)的。

補(bǔ)充一點(diǎn)，single-ended模式下，AD轉(zhuǎn)換的模擬量就是該AIN口與GND的電壓；differential模式下，AD轉(zhuǎn)換的模擬量則是兩個(gè)AIN口之間的電壓差，所以如果只使用一個(gè)AIN口且還想要用差分模式，那么另一個(gè)AIN口要記著接地。

六、Learning Experience

本次超過30個(gè)小時(shí)的學(xué)習(xí)過程得到的經(jīng)驗(yàn)：

①永遠(yuǎn)不要認(rèn)為你之前的理解都是對(duì)的。發(fā)現(xiàn)整個(gè)理解過程出現(xiàn)錯(cuò)誤，有時(shí) 候有必要推倒重建。

②網(wǎng)上資料參差不齊，錯(cuò)誤百出，絕對(duì)不能盲目相信。

③實(shí)驗(yàn)要清楚記錄條件及現(xiàn)象，不然會(huì)因?yàn)闆]記清現(xiàn)象/條件而做很多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

④在學(xué)習(xí)一個(gè)全新的知識(shí)系統(tǒng)的過程中會(huì)有很多信息涌入，往往在查找資料解決問題1的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)問題2，然后注意力轉(zhuǎn)移到問題2上，之后又會(huì)發(fā)現(xiàn)新的問題，進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)。所以需要適時(shí)停止，思考一下你是誰，你在哪兒，你要干什么。

⑤把問題記錄下來，然后接著探索。很有可能在第二天的時(shí)候你回看第一天的問題，會(huì)發(fā)出感嘆：我怎么會(huì)問這么愚蠢的問題。

⑥隊(duì)友很重要。討論/止損/提問/復(fù)盤/總結(jié)。

我的第一篇CSDN博客，希望講的清楚。希望大家喜歡！！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的python控制单片机keil_PCF8591使用及Python控制的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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