一起玩转树莓派（7）——树莓派模数/数模转换实践

如果你跟随本系列博客阅读到此，那么我相信，你已经能够使用树莓派的GPIO接口做许多有趣的事情了。但是不知你是否有发现，GPIO功能接口无论是输入还是输出，都只有高电平或低电平这两种选项，抽象到数学中，即只有0和1两种数值选项，这种离散数值的信号我们将其称为数字信号。更多时候，我们需要使用的元件并非只有开和关两种状态，这时候就需要用数值连续的信号来表达，这种连续的信号我们称之为模拟信号。本篇博客，我们将初步涉猎在树莓派上如何处理模拟信号。

一、树莓派模数转换模块基础

其实，直接使用GPIO的功能引脚并非完全不能处理模拟信号，我们知道无论需要多少种状态信号，通过GPIO的电平高低来处理都是无法实现的，但是你一定还记得PWM脉冲宽度调制技术，这其实就是一种将数字信号转换成模拟信号的方式，例如在前面的RGB实验中，我们曾使用PWM技术来控制3种发光二极管的发光明暗程度，如果将二极管的全亮定义为值1，全暗定义为值0，则在明暗之间可以通过设置不同的占空比来实现，例如需要亮度值为0.5时，只需要设置占空比为50%即可。通过PWM技术，虽然我们每个精确的时刻输出的依然是数字信号(0或1)，但最终作用到元件上的信号是模拟的，这就完成了最简单的数模转换。

同样的道理，对于某些外接元件来说，其输出的信号也可能是模拟的，例如温度、光亮传感器，如果直接通过GPIO来获取这些元件的信号是模拟的，解析会非常困难，这时我们就需要一个数模转换模块来帮助我们将其转换为数字信号。

1、关于模数转换

数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC。用来把数字量转换成模拟量的器件，关于数模转换器的电路和工作原理，不在本篇博客的核心讨论范围内，如果你有兴趣可以查阅数字电路和模拟电路的相关书籍。对其对应，模数转换器，又称为A/D转换器，简称ADC。用来把模拟信号转换为数字信号。树莓派本身没有集成模数转换模块，我们需要外接一个转换单元，在本实验中，我们采用基于PCF8591芯片的模数转换模块。

2、PCF8591芯片

PCF8591是一个单片集成，单独供电，低功耗的8位数A/D转换器，其芯片本身如下图所示：

可以看到其左右各有8个引脚，引脚功能图如下：

如上图所示，其AIN0到AIN3都是模拟输入引脚，其用来输入外接元件的模拟信号，它还有1个模拟输入引脚AOUT，用来输出模拟信号。

A0，A1，A2这3个引脚用来进行硬件地址编程，在嵌入式编程中，每个可编程的引脚我们将其理解为一个二进制位，3个引脚可以表达0-7这8个数字（000，001，010，011，100，101，110，111），因此在同一个I2C总线上，实际可以同时连接8个PCF8591芯片进行工作（I2C总线我们后面会介绍）。

VSS是接地引脚，VDD是工作电压引脚，AGND是模拟信号接地引脚，VREF是基准电源引脚。

OSC引脚为外部时钟输入端或内部时钟输出端，EXT如果接地，表示使用内部时钟，否则表示使用外部时钟。

SCL和SDA是I2C总线接口引脚，我们使用这两个引脚来进行数据传输，后面会介绍。

下面是PCF8591工作的电路原理图：

温馨提示，在阅读本篇博客时，难度可能要比本系列的前几篇博客大，你可能会感觉云里雾里，不要着急，后面我们会通过实验来帮助你理解模数转换以及I2总线的工作方式，掌握了这些，你的树莓派开发本领将进一步提升。

3、PCF8591实验模块

上一小节我们介绍了PCF8591芯片的引脚用法，实际在本实验中，我们并不会直接使用这个芯片，而是使用基于PCF8591芯片的一个工作模块，如下图所示：

如上图所示，此模块功能非常丰富，我们逐一介绍。

左边一列引脚作用分别为：

AOUT ：内部芯片的DA 输出接口
AIN0 ：内部芯片的模拟输入接口 0
AIN1 ：内部芯片的模拟输入接口 1
AIN2 ：内部芯片的模拟输入接口 2
AIN3 ：内部芯片的模拟输入接口 3

右边一列引脚的作用为：

SCL ：I2C 通信接口
SDA ：I2C 通信接口
GND ：模块地
VCC ：电源接口外接 3.3v-5v

除此之外，P4，P5，P6三个地方我们可以通过接短路帽的方式来选择是否接入相关功能。

P4：接上短路帽，表示将热敏电阻接入电路。

P5：接上短路帽，表示将光敏电阻接入电路。

P6：接上短路帽，表示将0-5V的可调节电压接入电路。

如果P4，P5，P6都不接短路帽，可以使用外部元件通过4个AIN引脚进行输入。关于这几个功能如何使用，后面我们会介绍。

此模块的工作示意图如下：

4.I2C总线基础知识

I2C总线是有Philips公司开发的一种简单、双向的同步串行总线。只需要两根线即可实现连接在总线上的设备间进行通信。在I2C总线的通讯协议中，SDA用来传输数据，SCL是串行的时钟线，传输流程如下图所示：

只看图你可能会感觉非常疑惑，结合树莓派工作起来，其实要理解并不复杂，在I2C协议中，树莓派就是主机，连接的PCF8591就是从机，主机与从机间无论是发送数据还是接受数据，都是由主机先发起，形象化的流程如下：

1.主机触发开始通信条件(SDA和SCL电平满足一定条件)。

2.通过地址找到要通信的从机(即PCF8591的3个地址编程引脚设置的地址)。

3.主机发送工作命令，即指定要从从机读数据还是写数据，读哪个通道的数据等（PCF8591有4个输入通道）。

4.收到数据会发送ACK回执。

5.结束此次通讯后，主机发送完成指令给从机（SDA和SCL电平满足一定条件）。

5.几个重要的指标概念

1.位数

ADC元件的位数非常重要，它描述了一种可读概念，以PCF8591为例，其实8位的数模转换芯片，也就是说其输出的数字量是0到255之间的数值，一共256种(2的8次方)。

2.基准电压

基准电压用来标准数模转换芯片输出的数值与电压之间关系，例如基准电压为5V，则0到255这256个刻度相当于将5V的电压平均分成了255份，数值没增加1，相当于电压约增加0.019V。

二、实验：测定温度和光亮度

现在，我们已经准备好了需要使用到的基础知识，可以开始我们的试验了。PCF8591自带光感与温度传感器，我们尝试使用这两个传感器来读取环境的温度与亮度。

1、连线

首先，我们可以先使用3个短路帽将PCF8591模块的P4、P5、P6都进行短接，如下图所示：

短接后，相当于我们将PCF8591模块自带的可调节输出电压、光感信号输出和温度信号输出都接入了电路，可以直接通过I2C总线对其数据进行获取。

之后，我们将PCF8591模块模块的SCL、SDA分别连接树莓派对应功能的引脚，GND进行接地，VCC接5V。关于找到树莓派上这些引脚的位置，可以参考下面博客：

https://my.oschina.net/u/2340880/blog/5123429

笔者这里使用扩展板来接线，会更加直观方便，如下图所示：

现在，我们已经完成了接线部分的工作。

2、代码编写

因为需要使用到树莓派的I2C总线功能，在开始编码前，我们需要将树莓派的I2C功能开启，打开树莓派的配置页面，在其interfaces选项中打开SPI和I2C选项，如下图所示。

我们先将完整的实验代码奉上：

#coding:utf-8

#SMBus (System Management Bus,系统管理总线) 
import smbus   #在程序中导入“smbus”模块
import time

bus = smbus.SMBus(1)         #创建一个smbus实例

# 数据读取的方法
def read(chn): #channel
    if chn == 0:
        #发送一个控制字节到设备 表示要读取AIN0通道的数据
        bus.write_byte(0x48,0x00)   
    if chn == 1:
        #发送一个控制字节到设备 表示要读取AIN1通道的数据
        bus.write_byte(0x48,0x01)
    if chn == 2:
        #发送一个控制字节到设备 表示要读取AIN2通道的数据
        bus.write_byte(0x48,0x02)
    if chn == 3:
        #发送一个控制字节到设备 表示要读取AIN3通道的数据
        bus.write_byte(0x48,0x03)
    bus.read_byte(0x48)         # 空读一次，消费掉无效数据
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道输入的模拟值A/D转换后的数字值

if __name__ == "__main__":
    while True:
        print('电位计 AIN3 = ', 0.0196 * read(3))   #电位计模拟信号转化的数字值
        print('光敏电阻 AIN0 = ', 255 - read(0))   #光敏电阻模拟信号转化的数字
        print('热敏电阻 AIN1 = ',255-read(1))      #热敏电阻模拟信号转化的数字值
        time.sleep(2)

下面我们来详细解释下上面的代码，首先smbus是一个Python模块，我们之前并没使用过，我们这次实验不使用GPIO，使用smbus来进行I2C总线管理。

在核心逻辑执行前，首先需要进行总线管理器的实例化，使用如下方法：

bus = smbus.SMBus(1)

其中的参数表示要使用的I2C版本。

前面我们分析过，在I2C总线通信中，主机先要发送指令告诉从机要做什么，对应代码中就是write_byte方法，这个方法用来向PCF芯片发送一个8位的控制指令，通过查阅芯片手册，很容易找到这个8位的控制指令每一位的意义，如下图所示：

我们从左往右来分析上图。

对于上图，我们在多解释一下，这个8位的控制指令，第1位和第5位都是默认填充位，都用0填充，目前没有任何意义。

第2位表示是否开启AOUT输出口，只有这一位为1，数模转换才会工作，数字信号才会被转换为模拟信号从AOUT引脚输出。（本次实验我们暂不使用）

第3位和第4位用来编程控制输入模式，这两位可以组成的数值有00，01，10，11共四种，设置为00表示AIN端口与输入通道一一对应。01，10，11这3种模式通道的值都是经过处理的，上图有明确的标注，比如在11模式下，通道0的值是AIN0和AIN1输入的差分，通道1的值是AIN2和AIN3输入的差分。（本次实验我们也无需使用这一功能）

第6位的作用是设置是否自动切换通道，当其设置为1时，每次读取数据后，通道都会切换，例如第一次读取通道0的数值，第二次会在读取时，会自动读取通道1的数值。

第7位和第8位用来指定从哪个通道读取数值，有4个通道可用，分别通过00，01，10，11进行设置。

我们再来看下write_byte方法：

bus.write_byte(0x48,0x00)

这个方法有两个参数，第2个参数就是我们上面说的指令参数，其用16进制表示，例如0x03设置为：

第1位	第2位	第3位	第4位	第5位	第6位	第7位	第8位
0(占位)	0(不使用AOUT)	0(一一对应模式)	0(一一对应模式)	0(占位)	0(不启动切换通道)	1(设置要读取的通道)	1(设置要读取的通道)