RaspberryPi 4B 使用 PCF8591 8位AD和DA转换器

模数/数模转换在实际应用中非常有用。如何使用树莓派操作挂载到 PCF8591 I²C 线路上的设备？实际上和其他 I²C 设备操作并无差异。首先来学习 PCF8591 的使用方法，然后通过树莓派控制 PCF8591 芯片。

一、 PCF8591 预备知识

PCF8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS 数据获取器件。PCF8591 具有 4 个模拟输入、1 个模拟输出和 1 个串行 I²C 总线接口。PCF8591 的 3 个地址引脚 A0， A1 和 A2 可用于硬件地址编程，允许在同个 I²C 总线上接入 8 个器件，而无需额外的硬件。在 PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过两线双向 I²C 总线以串行的方式进行传输。

特征

1. 单独供电

2. 工作电压范围 2.5V~6V

3. 低待机电流

4. 通过 I²C 总线串行输入/输出

5. 通过 3 个硬件地址引脚编址

6. 采样率由 I²C 总线速率决定

7. 4 个模拟输入可编程为单端型或差分输入

8. 自动增量通道选择

9. 模拟电压范围：VSS~VDD

10. 片上跟踪保持电路

11. 8-bit 逐次逼近 A/D 转换器

12. 带一个模拟输出的乘法 DAC

以下为 PCF8591 的引脚信息

引脚名称	含义
AIN0～AIN3	模拟信号输入端。
A0～A2	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 芯片所能接收的地址包含固定部分和可编程部分。可编程部分必须根据地址引脚 A0，A1 和 A2 来设置，在 I²C 总线协议中地址必须是起始条件后作为第一个字节发送，地址字节的最后一位用来设置对目标地址的读或写。地址字节格式如下所示：

发送到 PCF8591 的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制器件功能。控制寄存器的高半字节用于允许模拟输出，和将模拟输入编程为单端或差分输入。低半字节选择一个由高半字节定义的模拟输入通道。如果自动增量（auto-increment）标志置 1，每次 A/D 转换后通道号将自动增加。

如果自动增量（auto-increment）模式是使用内部振荡器的应用中所需要的，那么控制字中模拟输出允许标志应置 1。这要求内部振荡器持续运行，因此要防止振荡器启动延时的转换错误结果。模拟输出允许标志可以在其他时候复位以减少静态功耗。

选择一个不存在的输入通道将导致分配最高可用的通道号。所以，如果自动增量（auto-increment）被置 1，下一个被选择的通道将总是通道 0。两个半字节的最高有效位（即 bit 7 和 bit 3）是留给未来的功能，必须设置为逻辑 0。控制寄存器的所有位在上电复位后被复位为逻辑 0。D/A 转换器和振荡器在节能时被禁止。模拟输出被切换到高阻态。

二、PCF8591 模块

原理图如下

从原理图不难看出模块集成了电位计（INPUT0）、光敏电阻（INPUT1）和热敏电阻（INPUT2）作为输入端，同时将 A0、A1 和 A2 都接地，也就是置位 0。另外 INPUT 和 AIN 是通过跳线帽连接的，可以根据需要设置。D3 LED 在上电以后就会发光，作为电源指示灯。D4 LED 是由 AOUT 控制，也就是通过 D4 LED 的明暗程度来反映模拟输出。SCL 和 SDA 用来挂载 I²C。电阻 R7 和 R8 是典型的 I²C 设备上拉电阻。芯片参考电路设计建议在电源和参考电压输入端加上去耦电容（10μF），这反映在了原理图上的 C1 和 C2。这是为了防止额外的地线和电源噪声，以及减小数字信号对模拟信号路径的串扰。

不看最后的读写位，不难得出 PCF8591 模块的 I²C 地址为 0x1001 000，也就是 0x48。

三、smbus2

先给树莓派安装 smbus2 模块，方便接下来通过 smbus2 来读写 I²C 设备（PCF8591 模块）。

pip install smbus2

根据 Putty 的终端输出不难看到 smbus2-0.4.1 已经安装，接下来就可以在 python 中导入该模块使用了。

pi@raspberrypi:~/test $ pip install smbus2
Looking in indexes: https://pypi.org/simple, https://www.piwheels.org/simple
Collecting smbus2
  Retrying (Retry(total=4, connect=None, read=None, redirect=None, status=None)) after connection broken by 'NewConnectionError('<urllib3.connection.VerifiedHTTPSConnection object at 0xb54bc490>: Failed to establish a new connection: [Errno 101] \xe7\xbd\x91\xe7\xbb\x9c\xe4\xb8\x8d\xe5\x8f\xaf\xe8\xbe\xbe',)': /packages/c8/bf/62ef029fb7077fc87c3539f7365859bccc6cedb2bb20796b737b788c8d09/smbus2-0.4.1-py2.py3-none-any.whl
  Downloading https://files.pythonhosted.org/packages/c8/bf/62ef029fb7077fc87c3539f7365859bccc6cedb2bb20796b737b788c8d09/smbus2-0.4.1-py2.py3-none-any.whl
Installing collected packages: smbus2
Successfully installed smbus2-0.4.1

使用之前先来学习一番 smbus2 提供的 API，可以直接去网站查看英文资料：https://pypi.org/project/smbus2/

这个库是为了在纯 Python 中替换 smbus-cffi/smbus-python。smbus2 是（另一个）Python -smbus 包的纯 Python 实现。

设计一开始就有两个目标：

1. smbus 的替代品，语法必须相同；
2. 与 pysmbus 等其他纯 Python 实现相比，更广泛地使用固有的 I²C 结构体和联合。通过这样做，获得更完整的特性和更容易扩展。

目前支持的特性有：

获得 I²C 功能（I2C_FUNCS）

SMBus报文错误检查 （PEC）支持

read_byte

write_byte

read_byte_data

write_byte_data

read_word_data

write_word_data

read_i2c_block_data

write_i2c_block_data

write_quick

process_call

read_block_data

write_block_data

block_process_call

I2c_rdwr 组合写/读事务，重复启动

它是在 Python 2.7 上开发的，但在 Python 3 中无需任何修改即可工作 3.X。

例一 读一个字节

from smbus2 import SMBus

# 打开 i2c 总线 1，从地址 80 读取一个字节，偏移量为 0
bus = SMBus(1)
b = bus.read_byte_data(80, 0)
print(b)
bus.close()

例二 使用 with 读一个字节

from smbus2 import SMBus

with SMBus(1) as bus:
    b = bus.read_byte_data(80, 0)
    print(b)

例三 写一个字节

from smbus2 import SMBus

with SMBus(1) as bus:
    # 写一个字节到地址 80，偏移量为0
    data = 45
    bus.write_byte_data(80, 0, data)

四、操作 PCF8591 模块

使用下面的 demo 前先要将树莓派 4B 的 I²C 支持打开。

将 PCF8591 模块接入树莓派 4B。

树莓派	PCF8591 模块
SCL	SCL
SDA	SDA
GND	GND
3.3V	VCC

双色 LED 模块	PCF8591 模块
S	AOUT
GND	GND

程序首先读取通道 0、1 和 2 上的输入，然后将 0 通道的输入值作为输出写出。也就是将电位计的输入值写入到 AOUT，控制绿灯的明暗程度。

#!/usr/bin/env python3

import time
from smbus2 import SMBus

def do(addr):
    while True:
        vcc_in = read(addr, 0x40)
        print('AIN0 = ' + str(vcc_in)) 
        print('AIN1 = ' + str(read(addr, 0x41))) 
        print('AIN2 = ' + str(read(addr, 0x42))) 
        with SMBus(1) as bus:
            bus.write_byte_data(addr, 0, vcc_in)
        time.sleep(0.01)

def read(addr, ctl_byte): 
    with SMBus(1) as bus:
        bus.write_byte(addr, ctl_byte)
        return bus.read_byte_data(addr, 0)

if __name__ == "__main__":
    try:
        do(0x48)
    except KeyboardInterrupt:
        print("KeyboardInterrupt") 

标签：AD,read,bus,smbus2,DA,RaspberryPi,PCF8591,byte,data
来源： https://blog.csdn.net/tyyj90/article/details/118070818