PCF8591使用及Python控制

INTRODUCTION

??大家一定對于PCF8591芯片，對于其中的A0、A1、A2、channel0-channel3、AIN0-AIN3、AOUT、SCL、SDA等等以及I2C協議有著很大的困惑，同時也沒有完全理解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容，

一、PCF8591與Raspberry Pi的關系

??做一個很簡單的形象化，將整個系統看作一個進水/出水裝置，

??裝置有四根進水管，分別命名為AIN0, AIN1, AIN2, AIN3，還有唯一一根出水管，命名為AOUT，還有四個中轉通道，分別命名為channel0, channel1, channel2, channel3，從四根進水管進來的水可以受控制地從某一個通道中流出，進入總管道，之后通過兩根出水管道——SDA和SCL，進入一個水的加工處理儲存設備，

??Raspberry PI是“MASTER”，PCF是“SLAVER”，他們之間是主從關系，如果主器件要發送資料給從器件，則會啟動資料傳輸，并發送資料至從器件，最后終止資料傳輸；如果主器件想要接受從器件發來的資料，同樣也是發出命令啟動資料傳輸，接收從器件發來的資料，最后終止接收程序，
??強調一點：每次資料傳輸都是由“MASTER”主動開啟的，
??是否清晰了一些？理清總的關系以后我們再來看具體細節，

二、PCF的地址與A0-A2引腳

??一個“MASTER”不可能只有一個“SLAVER”，所以對于“MASTER”來說，需要給“SLAVERS”編號，以便控制、命令，這個編號也就是PCF地址，地址的編碼規則如下圖：

??可以看出，這是一個七位二進制數，前四位是fixed number，后三位分別對應PCF的三個引腳——A0, A1, A2，每一個引腳的值都可以是0或1，一共2^3=8種排列方式，也即一共8個可使用的地址，所以一個“MASTER”最多能同時控制8個“SLAVER”，對于PCF8591來說，其default address為0x48（十六進制數），轉換為二進制數是1001000，所以可以知道他的A0、A1、A2三個引腳值均為0，

??需要再提前強調一點，Python代碼中所有0x十六進制數，只有0x48代表Address，也只有PCF擁有Address，其余所有十六進制數都不代表Address，（這是一個天坑）

三、I2C協議與SDA SCL

??“MASTER”與“SLAVERS”之間需要有溝通交流，給“SLAVER”分配作業或是讓“SLAVER”匯報作業，并告知“SLAVER”如何做，所以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通信協議（Inter-Integrated Circuit），I^2 C總線需要兩根線來實作連接于總線上的器件之間的資訊傳輸，一根是SDA（Serial Data）串行資料線，另一根是SCL（Serial Clock）串行時鐘線，

??下圖是AD convert的I2C資料傳輸流程，

??是不是很令人迷惑？沒關系，形象化的解釋來了，之前有說過，I2C就是一種溝通方式，所以這個資料傳輸流程，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，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兩條線的電平同時滿足某一特定條件時，傳輸開始，）

??打開微信后需要找一個聯系人才能聊天，我們之前說“MASTER”有很多“SLAVERS”，這一步便是“MASTER”選擇與某一個“SLAVER”對話，（對應ADDRESS，）

??第三步，“MASTER”確定這次對話的目的的給“SLAVER”分配活兒干，還是讓“SLAVER”干完活后匯報，（對應R/W，R means read，W means write，控制這次資料傳輸的目的是樹莓派寫入一個值到PCF中，還是樹莓派從PCF中讀取一個值，）
可以看到有很多ACK，ACK means Acknowledge character，即確認字符，意思是資料接收者告訴資料傳輸者，“已收到”，

??之后便是資料傳輸，每傳輸一個byte的資料，都會反饋一個ACK確認資料收到，

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)

??其實代碼非常簡單，之前參考文獻給出的代碼令人迷惑的原因主要是自定義了很多方法，現在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的資料, write_byte就是向PCF中寫入一個byte的資料，write_byte_data就是像PCF中寫入data，

??有人就會問了，write_byte和write_byte_data有什么區別？

??還記得在PART1中強調的點嗎？每次資料傳輸一定是由“MASTER”主動開啟的，所以write_byte的目的是明確“MASTER”與哪個“SLAVER”對話，建立聯系，并以一個“CONTROL byte”告知“SLAVER”如何作業，并不傳輸value，這也是為什么代碼中的第一步是bus.read_byte(0x48)

??樹莓派主動開啟對話，與0x48地址對應的PCF8591建立聯系，并通過一個CONTROL byte明確作業模式（Analog Input Mode），

??第二個問題來了，CONTROL byte是什么？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，

??這是官方檔案對于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，可被撰寫的部分是第二位——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的時候，DA才會作業，數字信號被轉為模擬信號從AOUT埠輸出；第三四位——代表四種不同的analog input mode，用以明確AIN埠與channel之間的資料關系，

??在第一幅圖中有一個大大的問號，analog input mode便是明確這個問號，有兩種對應關系：一種是single-ended，即一對一，例如在00模式下，從channel0中讀到的資料就是AIN0口輸入的模擬量經過AD轉換后的數字值，00模式的四個AIN埠都是分別一一對應于一個channel；在10模式下，AIN0和AIN1是一一對應channel0和channel1，另外一種對應關系是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channel讀取資料，第六位是auto-increment，值為1時，每次讀取資料都會自動切換channel，第一次讀channel0的資料，下一次讀到的就是channel1的資料，以此類推，

??在Python代碼中，CONTROL byte是一個十六進制數，轉換為二進制后就是八位二進制，控制方法為：確定CONTROL byte中可編碼位上你想要的取值，得到一個八位二進制數，轉為十六進制數，輸入Python方法，

??講到這里后就幾乎結束了大部分的內容，繼續代碼示例，read_byte，讀值程序不需要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，這是因為PCF8591在接到讀取命令后，同時進行上一次的轉換資料的傳輸及本次的資料轉換，所以第一次空讀的資料是一個不確定的數，第一次的空讀只是為了啟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，寫入的值會直接作為一個digital value，經過轉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8bits的AD/DA轉換器，8bits的意思是AD/DA共有 2^8=256個刻度，所以傳輸的digital值范圍是0-255，舉個例子，你希望從AOUT口輸出一個3.13V的電壓給LED燈，應該寫入的值為3.13v/5v*255=160（這里ADC接5v的基準電壓），但是實際上用電壓表測得此時LED燈兩端電壓為2.64v，與理想值有一定誤差，

五、Something More

??我幾乎嘗試了所有的analog input mode，將麥克風接入不同的AIN口，選擇不同的channel，用示波器/電壓表+python畫出的圖進行了很多很多實驗，在差分模式下還是有很多難以解釋的試驗現象，但是基本可以肯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，所以如果只使用一個AIN口且還想要用差分模式，那么另一個AIN口要記著接地，

六、Learning Experience

本次超過30個小時的學習程序得到的經驗：
①永遠不要認為你之前的理解都是對的，發現整個理解程序出現錯誤，有時 候有必要推倒重建，
②網上資料參差不齊，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，不然會因為沒記清現象/條件而做很多次重復實驗，
④在學習一個全新的知識系統的程序中會有很多資訊涌入，往往在查找資料解決問題1的時候會發現問題2，然后注意力轉移到問題2上，之后又會發現新的問題，進入一個死回圈，所以需要適時停止，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候你回看第一天的問題，會發出感嘆：我怎么會問這么愚蠢的問題，
⑥隊友很重要，討論/止損/提問/復盤/總結，

我的第一篇CSDN博客，希望講的清楚，希望大家喜歡！！