PCF8591使用及Python控制

PCF8591使用及Python控制

INTRODUCTION

  你們必定對於PCF8591芯片，對於其中的A0、A一、A二、channel0-channel三、AIN0-AIN三、AOUT、SCL、SDA等等以及I2C協議有着很大的困惑。同時也沒有徹底理解Python代碼中的0x40、0x4一、0x4二、0x4三、0x48究竟是什麼，bus.write_byte(0x48, 0x40) bus.write_byte(0x48, 0x40, value) bus.read_byte(0x48)這些代碼到底控制什麼。

  這篇文章將幫助你們理清以上內容。

1、PCF8591與Raspberry Pi的關係

  作一個很簡單的形象化，將整個系統看做一個進水/出水裝置。

  裝置有四根進水管，分別命名爲AIN0, AIN1, AIN2, AIN3，還有惟一一根出水管，命名爲AOUT。還有四個中轉通道，分別命名爲channel0, channel1, channel2, channel3，從四根進水管進來的水能夠受控制地從某一個通道中流出，進入總管道，以後經過兩根出水管道——SDA和SCL，進入一個水的加工處理儲存設備。

  Raspberry PI是「MASTER」，PCF是「SLAVER」，他們之間是主從關係。若是主器件要發送數據給從器件，則會啓動數據傳輸，併發送數據至從器件，最後終止數據傳輸；若是主器件想要接受從器件發來的數據，一樣也是發出命令啓動數據傳輸，接收從器件發來的數據，最後終止接收過程。
  強調一點：每次數據傳輸都是由「MASTER」主動開啓的。
  是否清晰了一些？理清總的關係之後咱們再來看具體細節。

2、PCF的地址與A0-A2引腳

  一個「MASTER」不可能只有一個「SLAVER」。因此對於「MASTER」來講，須要給「SLAVERS」編號，以便控制、命令。這個編號也就是PCF地址。地址的編碼規則以下圖：

  能夠看出，這是一個七位二進制數，前四位是fixed number，後三位分別對應PCF的三個引腳——A0, A1, A2。每個引腳的值均可以是0或1，一共2^3=8種排列方式，也即一共8個可以使用的地址。因此一個「MASTER」最多能同時控制8個「SLAVER」。對於PCF8591來講，其default address爲0x48（十六進制數），轉換爲二進制數是1001000，因此能夠知道他的A0、A一、A2三個引腳值均爲0。

  須要再提早強調一點，Python代碼中全部0x十六進制數，只有0x48表明Address，也只有PCF擁有Address，其他全部十六進制數都不表明Address。（這是一個天坑）

3、I2C協議與SDA SCL

  「MASTER」與「SLAVERS」之間須要有溝通交流，給「SLAVER」分配工做或是讓「SLAVER」彙報工做，並告知「SLAVER」如何作。因此他們之間有一個特定的溝通方式，這個溝通方式就叫I^2 C通訊協議（Inter-Integrated Circuit）。I^2 C總線須要兩根線來實現鏈接於總線上的器件之間的信息傳輸，一根是SDA（Serial Data）串行數據線，另外一根是SCL（Serial Clock）串行時鐘線。

  下圖是AD convert的I2C數據傳輸流程。

  是否是很使人迷惑？不要緊，形象化的解釋來了。以前有說過，I2C就是一種溝通方式，因此這個數據傳輸流程，就能夠理解爲在I2C這種特定溝通方式下的一次溝通。講的更通俗一點，就是一次聊天對話。如何理解？

  聊天的第一步，是拿出手機打開微信。（對應START condition，當SDA和SCL兩條線的電平同時知足某一特定條件時，傳輸開始。）

  打開微信後須要找一個聯繫人才能聊天，咱們以前說「MASTER」有不少「SLAVERS」，這一步即是「MASTER」選擇與某一個「SLAVER」對話。（對應ADDRESS。）

  第三步，「MASTER」肯定此次對話的目的的給「SLAVER」分配活兒幹，仍是讓「SLAVER」幹完活後彙報。（對應R/W，R means read，W means write，控制此次數據傳輸的目的是樹莓派寫入一個值到PCF中，仍是樹莓派從PCF中讀取一個值。）
能夠看到有不少ACK。ACK means Acknowledge character，即確認字符，意思是數據接收者告訴數據傳輸者，「已收到」。

  以後即是數據傳輸，每傳輸一個byte的數據，都會反饋一個ACK確認數據收到。

4、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)

  其實代碼很是簡單。以前參考文獻給出的代碼使人迷惑的緣由主要是自定義了不少方法。如今用最簡單的辦法寫出來，用到的核心方法只有三個：

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byte的數據, write_byte就是向PCF中寫入一個byte的數據，write_byte_data就是像PCF中寫入data。

  有人就會問了，write_byte和write_byte_data有什麼區別？

  還記得在PART1中強調的點嗎？每次數據傳輸必定是由「MASTER」主動開啓的，因此write_byte的目的是明確「MASTER」與哪一個「SLAVER」對話，創建聯繫，並以一個「CONTROL byte」告知「SLAVER」如何工做，並不傳輸value。這也是爲何代碼中的第一步是bus.read_byte(0x48)

  樹莓派主動開啓對話，與0x48地址對應的PCF8591創建聯繫，並經過一個CONTROL byte明確工做模式（Analog Input Mode）。

  第二個問題來了，CONTROL byte是什麼？那不是個地址嗎？

  這時候應該要想起PART2強調的內容（只有0x48是地址）。write_byte方法的第二個傳參是一個CONTROL byte。

  這是官方文檔對於CONTROL byte的解釋。8位二進制碼，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——表明是否開啓AOUT輸出口，0表示不開啓，1表示開啓，只有該位是1的時候，DA纔會工做，數字信號被轉爲模擬信號從AOUT端口輸出；第三四位——表明四種不一樣的analog input mode，用以明確AIN端口與channel之間的數據關係。

  在第一幅圖中有一個大大的問號，analog input mode即是明確這個問號。有兩種對應關係：一種是single-ended，即一對一。例如在00模式下，從channel0中讀到的數據就是AIN0口輸入的模擬量通過AD轉換後的數字值，00模式的四個AIN端口都是分別一一對應於一個channel；在10模式下，AIN0和AIN1是一一對應channel0和channel1。另一種對應關係是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，用來控制從哪一個channel讀取數據。第六位是auto-increment，值爲1時，每次讀取數據都會自動切換channel，第一次讀channel0的數據，下一次讀到的就是channel1的數據，以此類推。

  在Python代碼中，CONTROL byte是一個十六進制數，轉換爲二進制後就是八位二進制。控制方法爲：肯定CONTROL byte中可編碼位上你想要的取值，獲得一個八位二進制數，轉爲十六進制數，輸入Python方法。

  講到這裏後就幾乎結束了大部分的內容。繼續代碼示例，read_byte，讀值過程不須要CONTROL byte，因此傳參只有ADDRESS。

  能夠看到，在真正讀取想要的num以前，還有一次空讀。這是由於PCF8591在接到讀取命令後，同時進行上一次的轉換數據的傳輸及本次的數據轉換，因此第一次空讀的數據是一個不肯定的數，第一次的空讀只是爲了啓動下一次正常的讀取。

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

  write_byte_data這個方法再多解釋一下，寫入的值會直接做爲一個digital value，通過轉換後以電壓形式的模擬量從AOUT口輸出。咱們使用的PCF8591是一個8bits的AD/DA轉換器，8bits的意思是AD/DA共有 2^8=256個刻度，因此傳輸的digital值範圍是0-255。舉個例子，你但願從AOUT口輸出一個3.13V的電壓給LED燈，應該寫入的值爲3.13v/5v*255=160（這裏ADC接5v的基準電壓），可是實際上用電壓表測得此時LED燈兩端電壓爲2.64v，與理想值有必定偏差。

5、Something More

  我幾乎嘗試了全部的analog input mode，將麥克風接入不一樣的AIN口，選擇不一樣的channel，用示波器/電壓表+python畫出的圖進行了不少不少實驗，在差分模式下仍是有不少難以解釋的試驗現象，可是基本能夠確定整個原理是沒有錯的。

  補充一點，single-ended模式下，AD轉換的模擬量就是該AIN口與GND的電壓；differential模式下，AD轉換的模擬量則是兩個AIN口之間的電壓差，因此若是隻使用一個AIN口且還想要用差分模式，那麼另外一個AIN口要記着接地。

6、Learning Experience

本次超過30個小時的學習過程獲得的經驗：
①永遠不要認爲你以前的理解都是對的。發現整個理解過程出現錯誤，有時 候有必要推倒重建。
②網上資料良莠不齊，錯誤百出，絕對不能盲目相信。
③實驗要清楚記錄條件及現象，否則會由於沒記清現象/條件而作不少次重複實驗。
④在學習一個全新的知識系統的過程當中會有不少信息涌入，每每在查找資料解決問題1的時候會發現問題2，而後注意力轉移到問題2上，以後又會發現新的問題，進入一個死循環。因此須要適時中止，思考一下你是誰，你在哪兒，你要幹什麼。
⑤把問題記錄下來，而後接着探索。頗有可能在次日的時候你回看第一天的問題，會發出感嘆：我怎麼會問這麼愚蠢的問題。
⑥隊友很重要。討論/止損/提問/覆盤/總結。

個人第一篇CSDN博客，但願講的清楚。但願你們喜歡！！