模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)芯片PCF8591簡(jiǎn)介

16.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)、數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)芯片 PCF8591 簡(jiǎn)介

PCF8591 是一款單電源供電的 8 位 CMOS 數(shù)據(jù)采集芯片，具有 4 個(gè)模擬信號(hào)輸入通道、一個(gè)模擬信號(hào)輸出通道以及一個(gè) I2C 總線通信接口。與前面講解的 I2C 芯片相同，通過(guò)管腳 A0、A1 和 A2 來(lái)配置芯片硬件地址，因此，在同一 I2C 總線上最多可同時(shí)連接 8 個(gè) PCF8591 芯片。主機(jī)與該芯片的地址、控制和數(shù)據(jù)信息的通信都是通過(guò) I2C 總線接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。芯片引腳定義及芯片封裝如下圖所示。該芯片有兩種封裝形式：一種雙列直插式 DIP16、另一種貼片 SOP16 模式，兩種封裝的管腳順序是一樣的。

引腳 1-4 為四個(gè)數(shù)模(A/D)轉(zhuǎn)換通道的模擬數(shù)據(jù)輸入端，名稱分別為 AIN0~AIN3。引腳 5-7 為芯片硬件地址配置引腳 A0-A2。引腳 16、8 分別為芯片電源正負(fù)極 VDD 和 VSS，供電電壓范圍為 2.5V-6V。引腳 9、10 分別為 I2C 總線數(shù)據(jù)、時(shí)鐘引腳 SDA 和 SCL。管腳 11 為晶振輸入/輸出端口 OSC，管腳 12 為外部或內(nèi)部晶振選擇端口 EXT，EXT 接地時(shí)芯片選擇內(nèi)部時(shí)鐘，EXT 連接 VDD 時(shí)，芯片選擇 OSC 引腳的外部時(shí)鐘。管腳 15、13 分別為數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換的模擬輸出端 AOUT 和模擬地 AGND。管腳 14 為芯片轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓輸入引腳 VREF。RY-51 開(kāi)發(fā)板 PCF8591 原理圖設(shè)計(jì)如下圖所示：

PCF8591 地址格式如下圖所示：

8 位地址由固定值和可編程部分組成。高 4 位為固定值“1001”，緊接著 3 位為可配置位 A2-A0，最后一位為讀寫(xiě)方向位，0 表示讀，1 表示寫(xiě)。原理圖中將 A2-A0 直接接地，因此，寫(xiě)操作時(shí)地址為 0x91，讀操作時(shí)地址為 0x90。

PCF8591 控制寄存器如下圖所示，bit1-bit0 為 A/D 通道選擇為 00-11 分別表示通道 0-通道 3。Bit2 為通道自動(dòng)累加選擇位，為 1 時(shí)選擇自動(dòng)累加。Bit3 為系統(tǒng)功能預(yù)留位，常設(shè)為 0。Bit5-bit4 為單端或差分輸入選擇位，如下圖所示。Bit6 為模擬輸出選擇位，為 1 時(shí)選擇模擬輸出。

PCF8591 數(shù)字量轉(zhuǎn)模擬量（DAC）數(shù)據(jù)寄存器以及計(jì)算公式如下圖所示：

DAC 寄存器為 8 位，數(shù)字量取值范圍為 0~255，模擬通道模擬量輸出公式如上圖所示。RY-51 開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)原理圖中將 VAGND 接地，VREF 接 5V，因此，模擬通道最大輸出為 255/256 x 5V，最小輸出為 0。主機(jī)將相應(yīng)的數(shù)字量通過(guò) I2C 總線寫(xiě)入 DAC 數(shù)據(jù)寄存器后，PCF8951 通過(guò)相應(yīng)的算法轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。DAC轉(zhuǎn)換通信協(xié)議如下：

如上圖所示 DAC 轉(zhuǎn)換步驟如下：
1. I2C 起始信號(hào)；
2. 主機(jī)發(fā)送器件地址，方向?yàn)椤皩?xiě)”；
3. 主機(jī)發(fā)送控制字節(jié)數(shù)據(jù)；
4. 主機(jī)發(fā)送 DAC 字節(jié)數(shù)據(jù) 1~N；
5. 停止信號(hào)。

如上圖所示，在發(fā)送 DAC 數(shù)據(jù)的同時(shí)，模擬通道 VAOUT 輸出為前一次 DAC 數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)值。DAC 函數(shù)如下所示：

//數(shù)字量轉(zhuǎn)模擬量函數(shù)，val為待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，模擬量從Vout引腳輸出
void DAC(unsigned char val)
{
	Start_I2C();//啟動(dòng)I2C總線
	//尋址PCF8591，方向?yàn)椤睂?xiě)”，如未響應(yīng)，則停止并返回
	if(Wr_I2C(0x48< 1)) {Stop_I2C();return;}
	Wr_I2C(0x40);//寫(xiě)入控制字，使能模擬輸出
	Wr_I2C(val); //發(fā)送DAC字節(jié)
	Stop_I2C();  //結(jié)束I2C總線
}

模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量（ADC）工作原理如下：

將 0-5V 電壓轉(zhuǎn)換為 8 位的數(shù)字量，數(shù)字量范圍為 0-255，將 5V 電壓均分為 256 等份，當(dāng)輸入電壓落在幾等分處，則轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為幾。當(dāng)輸入電壓為 0-1/256 * 5V 時(shí)，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為 1，當(dāng)輸入電壓為 1/256 * 5V-2/256 * 5V 時(shí)，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為 2，依次類推，當(dāng)輸入電壓為 254/256 * 5V-255/256 * 5V 時(shí)，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為 255。ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)序如下圖所示，首先為尋址 PCF8951，方向?yàn)樽x，然后讀取數(shù)據(jù)。加上 PCF8951 設(shè)置等相關(guān)語(yǔ)句，ADC 轉(zhuǎn)換 I2C 通信步驟如下：

1. I2C 起始信號(hào)；
2. 主機(jī)發(fā)送器件地址，方向?yàn)椤皩?xiě)”；
3. 主機(jī)發(fā)送控制字節(jié)數(shù)據(jù)，并設(shè)置相應(yīng)通道；
4. 重新發(fā)送 I2C 起始信號(hào)；
5. 主機(jī)發(fā)送器件地址，方向?yàn)椤白x”；
6. 讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并拋棄；
7. 再次讀取數(shù)據(jù)，并返回；
8. 停止信號(hào)。

ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)序如下圖所示：

上述步驟中 1-5 很好理解，6、7 的出現(xiàn)是什么原理，第六條語(yǔ)言為讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)換值，如上圖所示，由于芯片的 AD 轉(zhuǎn)換是需要時(shí)間的，當(dāng)前返回值為上一次的轉(zhuǎn)換值，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換值會(huì)在下一次讀數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)，因此，第 7 條語(yǔ)句讀到的數(shù)據(jù)是寫(xiě)第 6 條語(yǔ)句時(shí)的轉(zhuǎn)換值，因此將第 7 條語(yǔ)句的值返回。ADC 函數(shù)如下圖所示：

//模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量函數(shù)，將通道chn的值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量val,并返回val
unsigned char ADC(unsigned char chn)
{
	unsigned char val;//數(shù)字量存儲(chǔ)變量

	Start_I2C();//啟動(dòng)I2C總線
	//尋址PCF8591，方向?yàn)椤睂?xiě)”，如未響應(yīng)，則停止并返回0
	if(Wr_I2C(0x48< 1)){Stop_I2C();return 0;}
	Wr_I2C(0x40|chn);//寫(xiě)入控制字并選擇轉(zhuǎn)換通道chn的數(shù)據(jù)

	Start_I2C();//重新啟動(dòng)I2C總線
	Wr_I2C((0x48< 1)|0x01);//尋址PCF8591，方向?yàn)椤弊x”
	      RdACK_I2C();//讀一次數(shù)據(jù)并拋棄，下一次數(shù)據(jù)才是轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)
	val = RdNAK_I2C();//讀數(shù)據(jù)并返回

	return val;
}

按照慣例，驅(qū)動(dòng)文件完整代碼如下,"Drive_PCF8591.h"代碼：

#ifndef __PCF8591_H__
#define __PCF8591_H__

//數(shù)字量轉(zhuǎn)模擬量函數(shù)，val為待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，模擬量從Vout引腳輸出
extern unsigned char ADC(unsigned char chn);
//模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量函數(shù)，將通道chn的值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量val,并返回val
extern void DAC(unsigned char val);

#endif

"Drive_PCF8591.c"代碼：

#include< reg52.h >
#include"Drive_I2C.h"
//數(shù)字量轉(zhuǎn)模擬量函數(shù)，val為待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，模擬量從Vout引腳輸出
void DAC(unsigned char val)
{
	Start_I2C();//啟動(dòng)I2C總線
	//尋址PCF8591，方向?yàn)椤睂?xiě)”，如未響應(yīng)，則停止并返回
	if(Wr_I2C(0x48< 1)) {Stop_I2C();return;}
	Wr_I2C(0x40);//寫(xiě)入控制子，使能模擬輸出
	Wr_I2C(val); //發(fā)送DAC字節(jié)
	Stop_I2C();  //結(jié)束I2C總線
}
//模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量函數(shù)，將通道chn的值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量val,并返回val
unsigned char ADC(unsigned char chn)
{
	unsigned char val;//數(shù)字量存儲(chǔ)變量

	Start_I2C();//啟動(dòng)I2C總線
	//尋址PCF8591，方向?yàn)椤睂?xiě)”，如未響應(yīng)，則停止并返回0
	if(Wr_I2C(0x48< 1)){Stop_I2C();return 0;}
	Wr_I2C(0x40|chn);//寫(xiě)入控制字并選擇轉(zhuǎn)換通道chn的數(shù)據(jù)

	Start_I2C();//重新啟動(dòng)I2C總線
	Wr_I2C((0x48< 1)|0x01);//尋址PCF8591，方向?yàn)椤弊x”
	      RdACK_I2C();//讀一次數(shù)據(jù)并拋棄，下一次數(shù)據(jù)才是轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)
	val = RdNAK_I2C();//讀數(shù)據(jù)并返回

	return val;
}

下面我們進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用，大家都知道，熱敏電阻和光敏電阻這兩種元器件。熱敏電阻的特性為溫度不一樣時(shí)電阻值不一樣，光敏電阻的特性為光照強(qiáng)度不一樣則電阻不一樣。因此，可以用ADC轉(zhuǎn)換器去采集這兩種元器件的電阻值便可以知道溫度和光照強(qiáng)度是多少了。

16.2 熱敏電阻

熱敏電阻器是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電[阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。

16.3 光敏電阻

光敏電阻（photoresistor or light-dependent resistor，后者縮寫(xiě)為 ldr）或光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻是用硫化鎘或硒化鎘等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照愈強(qiáng)，阻值就愈低，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至 1K Ω以下。光敏電阻對(duì)光線十分敏感，其在無(wú)光照時(shí)，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá) 1.5M Ω。光敏電阻的特殊性能，隨著科技的發(fā)展將得到極其廣泛應(yīng)用。

16.4 綜合試驗(yàn)

如電路原理圖所示，我們分別在ADC器件的通道A0-A3連接可變電阻，固定電壓，熱敏電阻、光敏電阻，并將四個(gè)通道采集到的電壓值顯示在1602液晶顯示器上，嘗試改變電阻，溫度以及光照強(qiáng)度，觀察4通道的電壓變化。主程序如下所示：

#include< reg52.h >
#include"Drive_1602.h"
#include"Drive_PCF8591.h"

#define uchar unsigned char
#define  uint unsigned int

#define FOSC 11059200 //單片機(jī)晶振頻率
#define T_1ms (65536 - FOSC/12/1000)  //定時(shí)器初始值計(jì)算

sbit DU = P2^7;//數(shù)碼管段選、位選引腳定義
sbit WE = P2^6;	

uchar str[10]=0;
uchar T_flag  = 0;
uchar val  = 0;
void ValueToString(unsigned char *str,unsigned char val);
void main()
{
	Init_1602();//1602初始化
	P0 = 0xff;//關(guān)閉所有數(shù)碼管
	WE = 1;
	WE = 0;
	TMOD = 0x01;	 //定時(shí)器工作模式配置
	TL0  = T_1ms;	//裝載初始值
	TH0  = T_1ms >?>8;
	TR0  = 1;		 //啟動(dòng)定時(shí)器
	ET0  = 1;		 //允許定時(shí)器中斷
	EA   = 1;		 //開(kāi)總中斷


	Disp_1602_str(1,1,"A0  A1  A2  A3  ");//顯示通道初始化
	 while(1)
	 {
	 	if(T_flag)
		{
			T_flag = 0;

			val = ADC(0);
			DAC(val);//將通道零采集到的數(shù)據(jù)DA輸出
			ValueToString(str,val);
			Disp_1602_str(2,1,str);//顯示通道0電壓

			val = ADC(1);
			ValueToString(str,val);
			Disp_1602_str(2,5,str);//顯示通道1電壓

			val = ADC(2);
			ValueToString(str,val);
			Disp_1602_str(2,9,str);//顯示通道2電壓
	
			val = ADC(3);
			ValueToString(str,val);
			Disp_1602_str(2,13,str);//顯示通道3電壓
		}
	 }
}
//將AD采樣數(shù)值轉(zhuǎn)化成字符串
void ValueToString(unsigned char *str,unsigned char val)
{
	//電壓=采樣值*5V/255
	val = (val*50)/255;	//放大了10倍
	str[0] = (val/10) + '0';//整數(shù)位
	str[1] = '.';//小數(shù)點(diǎn)
	str[2] = (val%10) + '0';//小數(shù)位
}
//定時(shí)器0中斷子程序,定時(shí)1ms
void timer0() interrupt 1
{
	static uint T_500ms = 0;

	TL0 = T_1ms;//重裝初始值
	TH0 = T_1ms >?>8;	

	T_500ms++;
	if(T_500ms >=500)//500ms,置位T_flag
	{
		T_500ms = 0;
		T_flag = 1;	
	}
}

16.5本章小結(jié)

本章詳細(xì)介紹了AD/DA器件PCF8591的工作原理，通信時(shí)序，以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，并完成了簡(jiǎn)單的應(yīng)用。