龙8long8唯一官方网站电位器电位器模块原理图数模AD和模数DA转换的基本应用

2024-02-06 18:38:45

　　模拟量是指变量在一定范围内连续变化的量，在任意时刻都有相应的值与之对应。比如天气温度值，在每时每刻都有温度值，也称之为连续变化的量。相对应的是数字量，数字量只有在特定的时间才有相对应的值龙8long8唯一官方网站，由于有一定的间隔，不是连续的，也称之为离散。

　　在选取和使用A/D的时候，依靠什么指标来判断很重要。由于AD的种类很多，分为积分型、逐次逼近型、并行/串行比较型等多种类型，同时指标也比较多，介绍常用的三种。

　　一个n位的ADC表示这个ADC共有2的n次方个刻度。8位的ADC，输出的是从0～255一共256个数字量，也就是2的8次方个数据刻度。

　　基准源，也叫基准电压，是ADC的一个重要指标，要想把输入ADC的信号测量准确，那么基准源首先要准，基准源的偏差会直接导致转换结果的偏差。

　　分辨率是数字量变化一个最小刻度时，模拟信号的变化量，定义为满刻度量程与2n-1的比值。假定5.10V的电压系统，使用8位的ADC进行测量，那么相当于0～255一共256个刻度把5.10V平均分成了255份，那么分辨率就是5.10/255 = 0.02V。

　　PCF8591是Philips公司产品，是一个单电源低功耗的8位CMOS数据采集器件，具有4路模拟输入，1路模拟输出和一个串行I2C总线接口用来与单片机通信，该模块从某宝采购，如图1所示，该模块共有8个引脚，在本项目中接左侧的SCL、SDA、GND、VCC即可。

　　具有16引脚的芯片即为PCF8591，原理图如图2所示。该芯片允许最多8个器件连接到I2C总线而不需要额外的片选电路。器件的地址、控制以及数据都是通过I2C总线的ADC是逐次逼近型，转换速度取决于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，主要应用在一些转换速度要求不高，希望成本较低的场合，比如电池供电设备，测量电池的供电电压。

　　图2中引脚1、2、3、4是4路模拟输入，对应的实物是图1中的右侧引脚，通过丝印层即可观察得到。5、6、7引脚对应A0、A1、A2，是I2C总线的硬件地址，用于编程硬件地址，8脚是数字地GND，9脚和10脚是I2C总线脚是时钟选择引脚，如果接高电平表示用外部时钟输入，接低电平则用内部时钟，电路用的是内部时钟，因此12脚直接接GND，同时11脚悬空。13脚是模拟地AGND，在实际开发中，如果有比较复杂的模拟电路，那么AGND部分在布局布线上要特别处理，而且和GND的连接也有多种方式。在板子上没有复杂的模拟部分电路，所以把AGND和GND接到一起。14脚是基准源，15脚是DAC的模拟输出，16脚是供电电源VCC。

　　14脚Vref基准电压的提供有两种方法。一是采用简易的原则，直接接到VCC上去，但是由于VCC会受到整个线路的用电功耗情况影响，相对来说并不是很准确，通常用于精度要求不高的场合。方法二是使用专门的基准电压器件，比如TL431，它可以提供一个精度很高的2.5V的电压基准，本项目中采用方法一。

　　模块共有3个黑色短路帽，如图1 PCF8591模块所示，通过丝印层观察可见J4、J5、J6，相应的原理图如图3所示，分别作用如下：

　　这里需要注意的是AN3虽然测的是+5V的值，但是对于AD来说，只要输入信号超过Vref基准源，它得到的始终都是最大值，即255，也就是说它实际上无法测量超过其Vref的电压信号。需要注意的是，所有输入信号的电压值都不能超过VCC，即+5V，否则可能会损坏ADC芯片。

　　6、模块带DA输出指示灯，当模块DA输出接口电压达到一定值，会点亮板上DA输出指示灯，电压越大，指示灯亮度越明显；

　　PCF8591的通信接口是I2C。单片机对PCF8591进行初始化，一共发送三个字节即可。第一个字节是器件地址字节，其中7位代表地址，1位代表读写方向（最低位），“0”表示主机向从机写数据，“1”表示主机向从机读数据。地址高4位固定是0b1001，低三位是A2，A1，A0，这三位电路上都接了GND，因此也就是0b000，如图4所示。

　　在程序中有这么一段代码，0x48是由高四位和低3位组成的龙8long8唯一官方网站，即0b1001000，由于读写位在第0位，所以需要整体左移一位，程序中if用于判断是否存在该器件，如果不存在则I2CWrite函数返回1，则执行I2CStop();return 0;这两条语句，return函数会结束当前函数；反之，返回0，略过if语句，继续执行下面的语句。

　　发送到PCF8591的第二个字节将被存储在控制寄存器，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，如图5所示。

　　控制字节的第6位是DA使能位，这一位置1表示DA输出引脚使能，会产生模拟电压输出功能。第4位和第5位可以实现把PCF8591的4路模拟输入配置成单端模式和差分模式，这里只需要知道这两位是配置AD输入方式的控制位即可，如图6所示，本项目中采用“00”模式。

　　控制字节的第2位是自动增量控制位，自动增量的意思就是，比如一共有4个通道，当全部使用的时候，读完了通道0，下一次再读，会自动进入通道1进行读取，不需要我们指定下一个通道，由于A/D每次读到的数据，都是上一次的转换结果，所以在使用自动增量功能的时候，要特别注意，当前读到的是上一个通道的值！

　　控制字节的第0位和第1位就是通道选择位，00、01、10、11代表了从0到3的一共4个通道选择。

　　发送给PCF8591的第三个字节D/A数据寄存器，表示D/A模拟输出的电压值。如果仅仅使用A/D功能的话，就可以不发送第三个字节。

　　在项目六中接触到了第一种通信协议----UART异步串行通信，本项目中学习第二种通信协议----I2C。I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，多用于连接微处理器及其外围芯片。I2C总线的主要特点是接口方式简单，两条线可以挂多个参与通信的器件，即多机模式，而且任何一个器件都可以作为主机，当然同一时刻只能有一个主机。I2C属于同步通信，SCL时钟线负责收发双方的时钟节拍，SDA数据线C的发送方和接收方都以SCL这个时钟节拍为基准进行数据的发送和接收。在本项目中，I2C用于单片机和PCF8591之间的通信。

　　I2C通信在字节级的传输中，也有固定的时序要求。I2C通信的起始信号(Start)后，首先要发送一个从机的地址，这个地址一共有7位，紧跟着的第8位是数据方向位(R/W)，“0”表示接下来要发送数据（写），“1”表示接下来是请求数据（读）。

　　当发送完了这7位地址和1位方向后，如果发送的这个地址确实存在，那么这个地址的器件应该回应一个ACK（拉低SDA即输出“0”），如果不存在，就没“人”回应ACK（SDA将保持高电平即“1”）。ACK类似在打电话的时候，当拨通电话，接听方捡起电话肯定要回一个“喂”，这就是告诉拨电话的人，这边有人了。同理，这个第九位ACK实际上起到的就是这样一个作用。

　　在前面提到PCF8591的7位地址中高4位固定是0b1001，紧接低三位是A2，A1，A0，这三位电路上都接了GND，因此也就是0b000，因此PCF8591的7位地址实际上是二进制的0b1001000，也就是0x48。long8唯一官方网站

　　I2C总线是由时钟总线SCL和数据总线SDA两条线构成，所有器件的SCL都连到一起，所有SDA都连到一起。I2C总线是开漏引脚并联的结构，因此外部要添加上拉电阻。对于开漏电路外部加上拉电阻，就组成了线“与”的关系。总线上线“与”的关系就是说，所有接入的器件保持高电平，这条线才是高电平，而任何一个器件输出一个低电平，那这条线就会保持低电平，因此可以做到任何一个器件都可以拉低电平，也就是任何一个器件都可以作为主机，如图2所示，添加了R8和R9两个上拉电阻。

　　I2C分为起始信号、数据传输部分、停止信号。其中数据传输部分，可以一次通信过程传输很多个字节，字节数是不受限制的，而每个字节的数据最后也跟了一位，这一位叫做应答位，通常用ACK表示应答，NACK表示非应答。

　　起始信号：UART通信是从一直持续的高电平出现一个低电平标志起始位；而I2C通信的起始信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由高电平向低电平变化产生一个下降沿，表示起始信号，如图7中的Start部分所示，相应的代码如下所示。

　　根据程序的时序图较易理解，程序中使用了Delay()函数，那么Delay()延时多少时间？在程序定义中可以看到。

　　一个_nop_()表示大概是一个机器周期，约为5us，为什么是这个值？根据PCF8591操作手册要求，如图8所示，需要持续tHD;STA 的时间，结合图9，tHD;STA 的最小值为4us，没有最大值，从图9中还可以看到有的需要持续5us，所以统一方便定义Delay()的时间为5个_nop_()。

　　数据传输：I2C通信是高位在前，低位在后。I2C不像UART有固定波特率，但是有时序要求：当SCL在低电平的时候，SDA允许变化，也就是说，发送方必须先保持SCL是低电平，才可以改变数据线SDA，输出要发送的当前数据的一位；而当SCL在高电平的时候，SDA绝对不可以变化，因为这个时候，接收方要来读取当前SDA的电平信号是0还是1，因此要保证SDA的稳定，如图7中的每一位数据的变化，都是在SCL的低电平位置。8位数据位后边跟着的是一位应答位。

　　数据传输又分为两种：主机向从机写数据和主机向从机读取数据，再次强调下一般来说单片机为主机，从机为24C02、PCF8591等具备I2C协议的专用芯片。

　　1、当读数据的时候，从设备每发送完8个数据位，如果主机继续读下一个字节，主机应该回答“ACK”以提示从机准备下一个数据，如果主机不希望读取更多字节，主机应该回答“NACK”以提示从机设备准备接收Stop信号。

　　2、当写数据的时候，主机每发送完8个数据位，从机设备如果还要一个字节应该回答“ACK”，从机设备如果不接受更多的字节应该回答“NACK”，主机当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时主机放弃数据传送。

　　根据读操作特点编写以下程序，I2CReadACKORNOT函数中的参数为1表示继续读下一字节，根据函数可知此时回答的是“ACK”；反之，为非1时，主机回应了“NACK”。不同于UART协议，I2C传输数据从高位开始，程序中巧妙地设置了BitCnt的值为0x80，对应的二进制为0b1000 0000，如果此时从机传给主机的值为0，那么“dat &= ~BitCnt”后，dat的最高位为0，如果从机传给主机的值为1，那么“dat = BitCnt t”后，dat的最高位为1。一次循环后BitCnt>

　　=1，此时BitCnt的值为0x40，对应的二进制为0b0100 0000。通过此方式，依次读取出从机传给主机的数据，最后函数返回dat值！

　　停止信号：I2C通信停止信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由低电平向高电平变化产生一个上升沿，表示结束信号，如图7中的Stop部分所示，相应的代码如下所示。

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