數(shù)模A/D和模數(shù)D/A轉(zhuǎn)換的基本應(yīng)用（上）

單片機(jī)是一個典型的數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)只能對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理，但是在工業(yè)檢測系統(tǒng)和日常生活中的許多物理量都是模擬量，這些模擬量可以通過傳感器變成與之對應(yīng)的數(shù)字量便于處理和顯示。

A/D和D/A的基本概念

A/D是模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，依靠的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter)，簡稱ADC。D/A是數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，依靠的是數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter)，簡稱DAC。本項(xiàng)目中主要以A/D為例。

模擬量是指變量在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的量，在任意時刻都有相應(yīng)的值與之對應(yīng)。比如天氣溫度值，在每時每刻都有溫度值，也稱之為連續(xù)變化的量。相對應(yīng)的是數(shù)字量，數(shù)字量只有在特定的時間才有相對應(yīng)的值，由于有一定的間隔，不是連續(xù)的，也稱之為離散。ADC就是把連續(xù)的信號用離散的數(shù)字表達(dá)出來。

A/D的主要指標(biāo)

在選取和使用A/D的時候，依靠什么指標(biāo)來判斷很重要。由于AD的種類很多，分為積分型、逐次逼近型、并行/串行比較型等多種類型，同時指標(biāo)也比較多，介紹常用的三種。

1、ADC的位數(shù)

一個n位的ADC表示這個ADC共有2的n次方個刻度。8位的ADC，輸出的是從0～255一共256個數(shù)字量，也就是2的8次方個數(shù)據(jù)刻度。

2、基準(zhǔn)源

基準(zhǔn)源，也叫基準(zhǔn)電壓，是ADC的一個重要指標(biāo)，要想把輸入ADC的信號測量準(zhǔn)確，那么基準(zhǔn)源首先要準(zhǔn)，基準(zhǔn)源的偏差會直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果的偏差。

3、分辨率

分辨率是數(shù)字量變化一個最小刻度時，模擬信號的變化量，定義為滿刻度量程與2n-1的比值。假定5.10V的電壓系統(tǒng)，使用8位的ADC進(jìn)行測量，那么相當(dāng)于0～255一共256個刻度把5.10V平均分成了255份，那么分辨率就是5.10/255 = 0.02V。

PCF8591模塊硬件應(yīng)用說明

PCF8591是Philips公司的產(chǎn)品，是一個單電源低功耗的8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4路模擬輸入，1路模擬輸出和一個串行I2C總線接口用來與單片機(jī)通信，該模塊從某寶采購，如圖1所示，該模塊共有8個引腳，在本項(xiàng)目中接左側(cè)的SCL、SDA、GND、VCC即可。

具有16引腳的芯片即為PCF8591，原理圖如圖2所示。該芯片允許最多8個器件連接到I2C總線而不需要額外的片選電路。器件的地址、控制以及數(shù)據(jù)都是通過I2C總線來傳輸，PCF8591的ADC是逐次逼近型，轉(zhuǎn)換速度取決于I2C的通信速率。由于I2C速度的限制，所以PCF8591是低速的AD和DA集成，主要應(yīng)用在一些轉(zhuǎn)換速度要求不高，希望成本較低的場合，比如電池供電設(shè)備，測量電池的供電電壓。

圖2 PCF8591芯片連接原理圖

圖2中引腳1、2、3、4是4路模擬輸入，對應(yīng)的實(shí)物是圖1中的右側(cè)引腳，通過絲印層即可觀察得到。5、6、7引腳對應(yīng)A0、A1、A2，是I2C總線的硬件地址，用于編程硬件地址，8腳是數(shù)字地GND，9腳和10腳是I2C總線的SDA和SCL。12腳是時鐘選擇引腳，如果接高電平表示用外部時鐘輸入，接低電平則用內(nèi)部時鐘，電路用的是內(nèi)部時鐘，因此12腳直接接GND，同時11腳懸空。13腳是模擬地AGND，在實(shí)際開發(fā)中，如果有比較復(fù)雜的模擬電路，那么AGND部分在布局布線上要特別處理，而且和GND的連接也有多種方式。在板子上沒有復(fù)雜的模擬部分電路，所以把AGND和GND接到一起。14腳是基準(zhǔn)源，15腳是DAC的模擬輸出，16腳是供電電源VCC。

14腳Vref基準(zhǔn)電壓的提供有兩種方法。一是采用簡易的原則，直接接到VCC上去，但是由于VCC會受到整個線路的用電功耗情況影響，相對來說并不是很準(zhǔn)確，通常用于精度要求不高的場合。方法二是使用專門的基準(zhǔn)電壓器件，比如TL431，它可以提供一個精度很高的2.5V的電壓基準(zhǔn)，本項(xiàng)目中采用方法一。

** PCF8591模塊使用說明（淘寶購買）**

模塊共有3個黑色短路帽，如圖1 PCF8591模塊所示，通過絲印層觀察可見J4、J5、J6，相應(yīng)的原理圖如圖3所示，分別作用如下：

P4接上P4短路帽，選擇熱敏電阻接入電路，AN1通路；

P5接上P5短路帽，選擇光敏電阻接入電路，AN0通路；

P6接上P6短路帽，選擇0-5V可調(diào)電壓接入電路，AN3通路；

由于在本實(shí)驗(yàn)中讀取該3路的具體值，所以實(shí)驗(yàn)中并未取下短路帽。

圖3 模塊引腳連接方式

這里需要注意的是AN3雖然測的是+5V的值，但是對于AD來說，只要輸入信號超過Vref基準(zhǔn)源，它得到的始終都是最大值，即255，也就是說它實(shí)際上無法測量超過其Vref的電壓信號。需要注意的是，所有輸入信號的電壓值都不能超過VCC，即+5V，否則可能會損壞ADC芯片。

注：如果需要使用四路外部電壓輸入，請將3個紅色短路帽都取下。

模塊功能描述（資料中帶有）

1、模塊支持外部4路電壓輸入采集（電壓輸入范圍 0-5v）；

2、模塊集成光敏電阻，可以通過AD采集環(huán)境光強(qiáng)精確數(shù)值；

3、模塊集成熱敏電阻，可以通過AD采集環(huán)境溫度精確數(shù)值；

4、模塊集成1路0-5V電壓輸入采集（通過藍(lán)色電位器調(diào)節(jié)輸入電壓）；

5、模塊帶電源指示燈（對模塊供電后指示燈會亮）；

6、模塊帶DA輸出指示燈，當(dāng)模塊DA輸出接口電壓達(dá)到一定值，會點(diǎn)亮板上DA輸出指示燈，電壓越大，指示燈亮度越明顯；

7、模塊PCB尺寸：3.6cm*2.3cm；

8、標(biāo)準(zhǔn)雙面板，板厚1.6mm，布局美觀大方，四周設(shè)有通孔，孔徑為：3mm，方便固定。

** PCF8591的軟件編程**

PCF8591的通信接口是I2C。單片機(jī)對PCF8591進(jìn)行初始化，一共發(fā)送三個字節(jié)即可。第一個字節(jié)是器件地址字節(jié)，其中7位代表地址，1位代表讀寫方向（最低位），“0”表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，“1”表示主機(jī)向從機(jī)讀數(shù)據(jù)。地址高4位固定是0b1001，低三位是A2，A1，A0，這三位電路上都接了GND，因此也就是0b000，如圖4所示。

圖4 PCF8591地址字節(jié)

在程序中有這么一段代碼，0x48是由高四位和低3位組成的，即0b1001000，由于讀寫位在第0位，所以需要整體左移一位，程序中if用于判斷是否存在該器件，如果不存在則I2CWrite函數(shù)返回1，則執(zhí)行I2CStop();return 0;這兩條語句，return函數(shù)會結(jié)束當(dāng)前函數(shù)；反之，返回0，略過if語句，繼續(xù)執(zhí)行下面的語句。

if(I2CWrite(0x48< 1))
  {
    I2CStop();
    return 0;
  }

發(fā)送到PCF8591的第二個字節(jié)將被存儲在控制寄存器，用于控制PCF8591的功能。其中第3位和第7位是固定的0，另外6位各自有各自的作用，如圖5所示。

圖5 PCF8591 控制字節(jié)

控制字節(jié)的第6位是DA使能位，這一位置1表示DA輸出引腳使能，會產(chǎn)生模擬電壓輸出功能。第4位和第5位可以實(shí)現(xiàn)把PCF8591的4路模擬輸入配置成單端模式和差分模式，這里只需要知道這兩位是配置AD輸入方式的控制位即可，如圖6所示，本項(xiàng)目中采用“00”模式。

圖6 PCF8591模擬輸入配置方式

控制字節(jié)的第2位是自動增量控制位，自動增量的意思就是，比如一共有4個通道，當(dāng)全部使用的時候，讀完了通道0，下一次再讀，會自動進(jìn)入通道1進(jìn)行讀取，不需要我們指定下一個通道，由于A/D每次讀到的數(shù)據(jù)，都是上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，所以在使用自動增量功能的時候，要特別注意，當(dāng)前讀到的是上一個通道的值！

控制字節(jié)的第0位和第1位就是通道選擇位，00、01、10、11代表了從0到3的一共4個通道選擇。

發(fā)送給PCF8591的第三個字節(jié)D/A數(shù)據(jù)寄存器，表示D/A模擬輸出的電壓值。如果僅僅使用A/D功能的話，就可以不發(fā)送第三個字節(jié)。

I2C總線與通訊時序的介紹

在項(xiàng)目六中接觸到了第一種通信協(xié)議----UART異步串行通信，本項(xiàng)目中學(xué)習(xí)第二種通信協(xié)議----I2C。I2C總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，多用于連接微處理器及其外圍芯片。I2C總線的主要特點(diǎn)是接口方式簡單，兩條線可以掛多個參與通信的器件，即多機(jī)模式，而且任何一個器件都可以作為主機(jī)，當(dāng)然同一時刻只能有一個主機(jī)。I2C屬于同步通信，SCL時鐘線負(fù)責(zé)收發(fā)雙方的時鐘節(jié)拍，SDA數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。I2C的發(fā)送方和接收方都以SCL這個時鐘節(jié)拍為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在本項(xiàng)目中，I2C用于單片機(jī)和PCF8591之間的通信。

** I2C尋址模式**

I2C通信在字節(jié)級的傳輸中，也有固定的時序要求。I2C通信的起始信號(Start)后，首先要發(fā)送一個從機(jī)的地址，這個地址一共有7位，緊跟著的第8位是數(shù)據(jù)方向位(R/W)，“0”表示接下來要發(fā)送數(shù)據(jù)（寫），“1”表示接下來是請求數(shù)據(jù)（讀）。

當(dāng)發(fā)送完了這7位地址和1位方向后，如果發(fā)送的這個地址確實(shí)存在，那么這個地址的器件應(yīng)該回應(yīng)一個ACK（拉低SDA即輸出“0”），如果不存在，就沒“人”回應(yīng)ACK（SDA將保持高電平即“1”）。ACK類似在打電話的時候，當(dāng)撥通電話，接聽方撿起電話肯定要回一個“喂”，這就是告訴撥電話的人，這邊有人了。同理，這個第九位ACK實(shí)際上起到的就是這樣一個作用。

在前面提到PCF8591的7位地址中高4位固定是0b1001，緊接低三位是A2，A1，A0，這三位電路上都接了GND，因此也就是0b000，因此PCF8591的7位地址實(shí)際上是二進(jìn)制的0b1001000，也就是0x48。

I2C時序認(rèn)識

I2C總線是由時鐘總線SCL和數(shù)據(jù)總線SDA兩條線構(gòu)成，所有器件的SCL都連到一起，所有SDA都連到一起。I2C總線是開漏引腳并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，因此外部要添加上拉電阻。對于開漏電路外部加上拉電阻，就組成了線“與”的關(guān)系?？偩€上線“與”的關(guān)系就是說，所有接入的器件保持高電平，這條線才是高電平，而任何一個器件輸出一個低電平，那這條線就會保持低電平，因此可以做到任何一個器件都可以拉低電平，也就是任何一個器件都可以作為主機(jī)，如圖2所示，添加了R8和R9兩個上拉電阻。

I2C在通信過程中有起始信號、數(shù)據(jù)傳輸和停止信號，如圖7所示。

圖7 I2C通信流程解析

I2C分為起始信號、數(shù)據(jù)傳輸部分、停止信號。其中數(shù)據(jù)傳輸部分，可以一次通信過程傳輸很多個字節(jié)，字節(jié)數(shù)是不受限制的，而每個字節(jié)的數(shù)據(jù)最后也跟了一位，這一位叫做應(yīng)答位，通常用ACK表示應(yīng)答，NACK表示非應(yīng)答。

起始信號：UART通信是從一直持續(xù)的高電平出現(xiàn)一個低電平標(biāo)志起始位；而I2C通信的起始信號的定義是SCL為高電平期間，SDA由高電平向低電平變化產(chǎn)生一個下降沿，表示起始信號，如圖7中的Start部分所示，相應(yīng)的代碼如下所示。

void I2CStart()
{
    I2C_SDA = 1; //首先確保 SDA、SCL都是高電平
    I2C_SCL = 1;
    Delay();
    I2C_SDA = 0; //先拉低 SDA
    Delay();
    I2C_SCL = 0; //再拉低 SCL
}

根據(jù)程序的時序圖較易理解，程序中使用了Delay()函數(shù)，那么Delay()延時多少時間？在程序定義中可以看到。

#define Delay() { nop (); nop (); nop (); nop (); nop ();}

一個_nop_()表示大概是一個機(jī)器周期，約為5us，為什么是這個值？根據(jù)PCF8591操作手冊要求，如圖8所示，需要持續(xù)tHD;STA 的時間，結(jié)合圖9，tHD;STA 的最小值為4us，沒有最大值，從圖9中還可以看到有的需要持續(xù)5us，所以統(tǒng)一方便定義Delay()的時間為5個_nop_()。

圖8 I2C總線時間限制圖

圖9 具體時間分布圖

數(shù)據(jù)傳輸：I2C通信是高位在前，低位在后。I2C不像UART有固定波特率，但是有時序要求：當(dāng)SCL在低電平的時候，SDA允許變化，也就是說，發(fā)送方必須先保持SCL是低電平，才可以改變數(shù)據(jù)線SDA，輸出要發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)的一位；而當(dāng)SCL在高電平的時候，SDA絕對不可以變化，因?yàn)檫@個時候，接收方要來讀取當(dāng)前SDA的電平信號是0還是1，因此要保證SDA的穩(wěn)定，如圖7中的每一位數(shù)據(jù)的變化，都是在SCL的低電平位置。8位數(shù)據(jù)位后邊跟著的是一位應(yīng)答位。

數(shù)據(jù)傳輸又分為兩種：主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)和主機(jī)向從機(jī)讀取數(shù)據(jù)，再次強(qiáng)調(diào)下一般來說單片機(jī)為主機(jī)，從機(jī)為24C02、PCF8591等具備I2C協(xié)議的專用芯片。

1、當(dāng)讀數(shù)據(jù)的時候，從設(shè)備每發(fā)送完8個數(shù)據(jù)位，如果主機(jī)繼續(xù)讀下一個字節(jié)，主機(jī)應(yīng)該回答“ACK”以提示從機(jī)準(zhǔn)備下一個數(shù)據(jù)，如果主機(jī)不希望讀取更多字節(jié)，主機(jī)應(yīng)該回答“NACK”以提示從機(jī)設(shè)備準(zhǔn)備接收Stop信號。

2、當(dāng)寫數(shù)據(jù)的時候，主機(jī)每發(fā)送完8個數(shù)據(jù)位，從機(jī)設(shè)備如果還要一個字節(jié)應(yīng)該回答“ACK”，從機(jī)設(shè)備如果不接受更多的字節(jié)應(yīng)該回答“NACK”，主機(jī)當(dāng)收到“NACK”或者一定時間之后沒收到任何數(shù)據(jù)將視為超時，此時主機(jī)放棄數(shù)據(jù)傳送。

3、無論是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，都是主機(jī)動作！

根據(jù)讀操作特點(diǎn)編寫以下程序，I2CReadACKORNOT函數(shù)中的參數(shù)為1表示繼續(xù)讀下一字節(jié)，根據(jù)函數(shù)可知此時回答的是“ACK”；反之，為非1時，主機(jī)回應(yīng)了“NACK”。不同于UART協(xié)議，I2C傳輸數(shù)據(jù)從高位開始，程序中巧妙地設(shè)置了BitCnt的值為0x80，對應(yīng)的二進(jìn)制為0b1000 0000，如果此時從機(jī)傳給主機(jī)的值為0，那么“dat &= ~BitCnt”后，dat的最高位為0，如果從機(jī)傳給主機(jī)的值為1，那么“dat |= BitCnt t”后，dat的最高位為1。一次循環(huán)后BitCnt>>=1，此時BitCnt的值為0x40，對應(yīng)的二進(jìn)制為0b0100 0000。通過此方式，依次讀取出從機(jī)傳給主機(jī)的數(shù)據(jù)，最后函數(shù)返回dat值！

unsigned char I2CReadACKORNOT(bit cnt)
{
    unsigned char BitCnt;
    unsigned char dat;
    I2C_SDA = 1;  //首先確保主機(jī)釋放SDA
    for (BitCnt=0x80; BitCnt!=0; BitCnt >?>=1) //從高位到低位依次進(jìn)行
    {


        Delay();
        I2C_SCL = 1;      //拉高SCL
        if(I2C_SDA == 0)  //讀取SDA的值
               dat &= ~BitCnt; //為0時，dat中對應(yīng)位清零
        else
              dat |= BitCnt;  //為1時，dat中對應(yīng)位置1
        Delay();
        I2C_SCL = 0;      //再拉低SCL，以使從機(jī)發(fā)送出下一位
    }
    if(cnt)
      I2C_SDA = 0;   //8位數(shù)據(jù)發(fā)送完后，拉低SDA，發(fā)送應(yīng)答信號
    else
      I2C_SDA = 1;
    Delay();
    I2C_SCL = 1;   //拉高SCL
    Delay();
    I2C_SCL = 0;   //再拉低SCL完成應(yīng)答位，并保持住總線
    return dat;
}

對于寫操作類似，不在此重復(fù)敘述。

停止信號：I2C通信停止信號的定義是SCL為高電平期間，SDA由低電平向高電平變化產(chǎn)生一個上升沿，表示結(jié)束信號，如圖7中的Stop部分所示，相應(yīng)的代碼如下所示。

void I2CStop()
{
    I2C_SCL = 0; //首先確保SDA、SCL都是低電平
    I2C_SDA = 0;
    Delay();
    I2C_SCL = 1; //先拉高 SCL
    Delay();
    I2C_SDA = 1; //再拉高 SDA
    Delay();
}

實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象：

采集PCF8591模塊的3路信號。