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python控制单⽚机keil_PCF8591使⽤及Python控制

PCF8591使⽤及Python控制

INTRODUCTION

⼤家⼀定对于PCF8591芯⽚，对于其中的A0、A1、A2、channel0-channel3、AIN0-AIN3、AOUT、SCL、SDA等等以及I2C协议有

着很⼤的困惑。同时也没有完全理解Python代码中的0x40、0x41、0x42、0x43、0x48到底是什么，_byte(0x48,0x40)

_byte(0x48,0x40,value)_byte(0x48)这些代码到底控制什么。

这篇⽂章将帮助⼤家理清以上内容。

⼀、PCF8591与RaspberryPi的关系

做⼀个很简单的形象化，将整个系统看作⼀个进⽔/出⽔装置。

装置有四根进⽔管，分别命名为AIN0,AIN1,AIN2,AIN3，还有唯⼀⼀根出⽔管，命名为AOUT。还有四个中转通道，分别命名为

channel0,channel1,channel2,channel3，从四根进⽔管进来的⽔可以受控制地从某⼀个通道中流出，进⼊总管道，之后通过两根出⽔

管道——SDA和SCL，进⼊⼀个⽔的加⼯处理储存设备。

RaspberryPI是“MASTER”，PCF是“SLAVER”，他们之间是主从关系。如果主器件要发送数据给从器件，则会启动数据传输，并发

送数据⾄从器件，最后终⽌数据传输；如果主器件想要接受从器件发来的数据，同样也是发出命令启动数据传输，接收从器件发来的数据，

最后终⽌接收过程。

强调⼀点：每次数据传输都是由“MASTER”主动开启的。

是否清晰了⼀些？理清总的关系以后我们再来看具体细节。

⼆、PCF的地址与A0-A2引脚

⼀个“MASTER”不可能只有⼀个“SLAVER”。所以对于“MASTER”来说，需要给“SLAVERS”编号，以便控制、命令。这个编号

也就是PCF地址。地址的编码规则如下图：

可以看出，这是⼀个七位⼆进制数，前四位是fixednumber，后三位分别对应PCF的三个引脚——A0,A1,A2。每⼀个引脚的值都可以是

0或1，⼀共2^3=8种排列⽅式，也即⼀共8个可使⽤的地址。所以⼀个“MASTER”最多能同时控制8个“SLAVER”。对于PCF8591

来说，其defaultaddress为0x48(⼗六进制数)，转换为⼆进制数是1001000，所以可以知道他的A0、A1、A2三个引脚值均为0。

需要再提前强调⼀点，Python代码中所有0x⼗六进制数，只有0x48代表Address，也只有PCF拥有Address，其余所有⼗六进制数都不

代表Address。(这是⼀个天坑)

三、I2C协议与SDASCL

“MASTER”与“SLAVERS”之间需要有沟通交流，给“SLAVER”分配⼯作或是让“SLAVER”汇报⼯作，并告知“SLAVER”如何

做。所以他们之间有⼀个特定的沟通⽅式，这个沟通⽅式就叫I^2C通信协议(Inter-IntegratedCircuit)。I^2C总线需要两根线来实现连接

于总线上的器件之间的信息传输，⼀根是SDA(SerialData)串⾏数据线，另⼀根是SCL(SerialClock)串⾏时钟线。

下图是ADconvert的I2C数据传输流程。

是不是很令⼈迷惑？没关系，形象化的解释来了。之前有说过，I2C就是⼀种沟通⽅式，所以这个数据传输流程，就可以理解为在I2C这种

特定沟通⽅式下的⼀次沟通。讲的更通俗⼀点，就是⼀次聊天对话。如何理解？

聊天的第⼀步，是拿出⼿机打开微信。(对应STARTcondition，当SDA和SCL两条线的电平同时满⾜某⼀特定条件时，传输开始。)

打开微信后需要找⼀个联系⼈才能聊天，我们之前说“MASTER”有很多“SLAVERS”，这⼀步便是“MASTER”选择与某⼀

个“SLAVER”对话。(对应ADDRESS。)

第三步，“MASTER”确定这次对话的⽬的的给“SLAVER”分配活⼉⼲，还是让“SLAVER”⼲完活后汇报。(对应R/W，Rmeans

read，Wmeanswrite，控制这次数据传输的⽬的是树莓派写⼊⼀个值到PCF中，还是树莓派从PCF中读取⼀个值。)

可以看到有很多ACK。ACKmeansAcknowledgecharacter，即确认字符，意思是数据接收者告诉数据传输者，“已收到”。

之后便是数据传输，每传输⼀个byte的数据，都会反馈⼀个ACK确认数据收到。

四、Python代码控制读取/写⼊值

importsmbus

importtime

if__name__=="__main__":

bus=(1)

_byte(0x48,0x42)

_byte(0x48)

whileTrue:

num=_byte(0x48)

print(num)

_byte_data(0x48,0x42,160)

(0.01)

其实代码⾮常简单。之前参考⽂献给出的代码令⼈迷惑的原因主要是⾃定义了很多⽅法。现在⽤最简单的办法写出来，⽤到的核⼼⽅法只有

三个：

_byte(ADDRESS)

_byte(ADDRESS,CONTROL_byte)

_byte_data(ADDRESS,CONTROL_byte,value)

顾名思义，read_byte就是从PCF中读取⼀个byte的数据,write_byte就是向PCF中写⼊⼀个byte的数据，write_byte_data就是像PCF中

写⼊data。

有⼈就会问了，write_byte和write_byte_data有什么区别？

还记得在PART1中强调的点吗？每次数据传输⼀定是由“MASTER”主动开启的，所以write_byte的⽬的是明确“MASTER”与哪

个“SLAVER”对话，建⽴联系，并以⼀个“CONTROLbyte”告知“SLAVER”如何⼯作，并不传输value。这也是为什么代码中的第

⼀步是_byte(0x48)

树莓派主动开启对话，与0x48地址对应的PCF8591建⽴联系，并通过⼀个CONTROLbyte明确⼯作模式(AnalogInputMode)。

第⼆个问题来了，CONTROLbyte是什么？那不是个地址吗？

这时候应该要想起PART2强调的内容(只有0x48是地址)。write_byte⽅法的第⼆个传参是⼀个CONTROLbyte。

这是官⽅⽂档对于CONTROLbyte的解释。8位⼆进制码，其中第⼀位和第五位都是fixednumber—0，可被编写的部分是第⼆位——代

表是否开启AOUT输出⼝，0表⽰不开启，1表⽰开启，只有该位是1的时候，DA才会⼯作，数字信号被转为模拟信号从AOUT端⼝输出；

第三四位——代表四种不同的analoginputmode，⽤以明确AIN端⼝与channel之间的数据关系。

在第⼀幅图中有⼀个⼤⼤的问号，analoginputmode便是明确这个问号。有两种对应关系：⼀种是single-ended，即⼀对⼀。例如在00

模式下，从channel0中读到的数据就是AIN0⼝输⼊的模拟量经过AD转换后的数字值，00模式的四个AIN端⼝都是分别⼀⼀对应于⼀个

channel；在10模式下，AIN0和AIN1是⼀⼀对应channel0和channel1。另外⼀种对应关系是differential，即差分。例如在01模式

下，channel0的值是AIN0与AIN3的差值；在10模式下，channel2的值是AIN2与AIN3的差值。

CONTROLbyte的第七⼋位是ADchannelnumber，⽤来控制从哪个channel读取数据。第六位是auto-increment，值为1时，每次读

取数据都会⾃动切换channel，第⼀次读channel0的数据，下⼀次读到的就是channel1的数据，以此类推。

在Python代码中，CONTROLbyte是⼀个⼗六进制数，转换为⼆进制后就是⼋位⼆进制。控制⽅法为：确定CONTROLbyte中可编码位

上你想要的取值，得到⼀个⼋位⼆进制数，转为⼗六进制数，输⼊Python⽅法。

讲到这⾥后就⼏乎结束了⼤部分的内容。继续代码⽰例，read_byte，读值过程不需要CONTROLbyte，所以传参只有ADDRESS。

可以看到，在真正读取想要的num之前，还有⼀次空读。这是因为PCF8591在接到读取命令后，同时进⾏上⼀次的转换数据的传输及本次

的数据转换，所以第⼀次空读的数据是⼀个不确定的数，第⼀次的空读只是为了启动下⼀次正常的读取。

_byte_data(0x48,0x42,160)

write_byte_data这个⽅法再多解释⼀下，写⼊的值会直接作为⼀个digitalvalue，经过转换后以电压形式的模拟量从AOUT⼝输出。我们

使⽤的PCF8591是⼀个8bits的AD/DA转换器，8bits的意思是AD/DA共有2^8=256个刻度，所以传输的digital值范围是0-255。举个

例⼦，你希望从AOUT⼝输出⼀个3.13V的电压给LED灯，应该写⼊的值为3.13v/5v*255=160(这⾥ADC接5v的基准电压)，但是实际上

⽤电压表测得此时LED灯两端电压为2.64v，与理想值有⼀定误差。

五、SomethingMore

我⼏乎尝试了所有的analoginputmode，将麦克风接⼊不同的AIN⼝，选择不同的channel，⽤⽰波器/电压表+python画出的图进⾏了

很多很多实验，在差分模式下还是有很多难以解释的试验现象，但是基本可以肯定整个原理是没有错的。

补充⼀点，single-ended模式下，AD转换的模拟量就是该AIN⼝与GND的电压；differential模式下，AD转换的模拟量则是两个AIN⼝之

间的电压差，所以如果只使⽤⼀个AIN⼝且还想要⽤差分模式，那么另⼀个AIN⼝要记着接地。

六、LearningExperience

本次超过30个⼩时的学习过程得到的经验：

①永远不要认为你之前的理解都是对的。发现整个理解过程出现错误，有时候有必要推倒重建。

②⽹上资料参差不齐，错误百出，绝对不能盲⽬相信。

③实验要清楚记录条件及现象，不然会因为没记清现象/条件⽽做很多次重复实验。

④在学习⼀个全新的知识系统的过程中会有很多信息涌⼊，往往在查找资料解决问题1的时候会发现问题2，然后注意⼒转移到问题2上，之

后⼜会发现新的问题，进⼊⼀个死循环。所以需要适时停⽌，思考⼀下你是谁，你在哪⼉，你要⼲什么。

⑤把问题记录下来，然后接着探索。很有可能在第⼆天的时候你回看第⼀天的问题，会发出感叹：我怎么会问这么愚蠢的问题。

⑥队友很重要。讨论/⽌损/提问/复盘/总结。

我的第⼀篇CSDN博客，希望讲的清楚。希望⼤家喜欢！！