蓝桥杯单片机学习11——PCF8591A/D&D/A转换芯片

上期我们学习了DS1302实时时钟的基本使用，现在我们来学习PCF8591A/D&D/A转换芯片的相关内容

蓝桥杯单片机学习11——PCF8591A/D&D/A转换芯片

PCF8591A/D&D/A转换芯片

引脚图

原理图

PCF8591的读写地址

控制指令

AD转换（模拟量->数字量）

DA转换

IIC协议

起始时序&结束时序

等待应答&发送应答

写时序

读时序

PCF8591A/D&D/A的基本控制方法&代码

实践部分

1.任务要求

2.实现思路

3.代码展示

3.1.main.c

3.2.数码管显示函数

3.3.官方提供的iic文件

总结

PCF8591A/D&D/A转换芯片

PCF8591是具有I2C 总线接口的8 位A/D 及D/A 转换器。具有以下特点：
【1】 单电源供电
【2】 工作电压2.5~6.0V
【3】 低待机电流（低功耗）
【4】 使用IIC通信接口
【5】 具有三个可编程地址引脚
【6】 4个模拟输入通道可控制为单端输入或差分输入
【6】 可控制自动递增通道选择
【7】 模拟输出电压范围VSS~VDD
【8】 八位逐次逼近AD转换
【9】 一路模拟输出DA转换

引脚图

【1】 AIN0~3 ：四路模拟输入，用于AD转换
【2】 A0~A2：可编程地址
【3】 VSS/VDD：负/正电压，采用双电源供电，模拟输出电压范围VSS~VDD
【4】 SDA：IIC接口数据线
【5】 SCL：IIC接口时钟线
【6】 OSC：时钟输入/输出引脚，外部时钟输入，内部时钟输出。
【7】 EXT：时钟输入输出开关，使用内部时钟时接地（为低电平）
【8】AGND：模拟信号的地
【9】VREF：基准电压，原理图上直接接的是VCC（5V）
【10】VOUT：模拟输出引脚

原理图

以上是PCF8591的硬件原理图，下面是4个模拟输入和模拟输出的产生方式。

1.AIN0/AOUT：直接接到排针J3上面，可以提供直接提供电压模拟输入&直接测量电压

2.AIN1：通过光敏电阻分压模拟输入

3.AIN2：先做保留，下次介绍

4.AIN3：通过一个继电器分压输入。

PCF8591的读写地址

PCF8591使用的是IIC通信协议，IIC可用于多机通信，因此在通信之前需要寻址，以下是PCF8591的读写地址。

高四位在出厂之前就已经确定，属于不可修改部分

A0~A2是可编程部分，通过电路将对应的引脚拉高/拉低来确定。

第八位是读写控制位，为1时表示通信方向为，PCF写数据，单片机读数据。为0时则相反。

控制指令

在通信寻址成功之后，我们需要对PCF8591写入控制指令，设置芯片的工作模式。

其中：

第4位和第八位固定为0，不可更改。

第7位为模拟输出使能位，为1时芯片工作为DA转换模式，通过IIC接口写入0~255之间的值，可以输出对应的模拟电压值。（具体计算公式在后面介绍）

第5、6位可以选择模拟输入的方式，单端输入、双端输入、单端+双端输入

第3位为自动增量标志，为1时，每完成一次AD转换，输入通道自动切换到下一个通道（0->1->2->3->0往复循环），为0时不会自增

第1、2位共同控制AD转换的通道，具体对应关系如上图。

AD转换（模拟量->数字量）

AD转换是将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量。使输出的数字量与输入的模拟量成正比。模拟量与输出量的关系如下图

1.单端输入

其中：

V-REF为基准电压，电路图上连接到VCC,理论值为5V,

V-AGND为模拟地，电路图上连接到GND,电压值为0V,

V-LSB为微分非线性dnl,即芯片可以区分最小模拟电压值，

举个栗子：
芯片使用通道0进行AD转换，在通道0输入一个1.0V的电压，那么对应的数字量 = 256*（V-AIN – V-AGND）/ （V-REF – V-AGND） = 256 * 1.0/5.0 = 51 = 0x33
特别的：当输入电压>（V-REF – V-AGND）以上时，输出为255不变

2.差分输入

原理和单端输入相似，不做介绍。

DA转换

DA转换则是将数字量转换为模拟量进行输出，与AD转换相反。

计算公式如图，特别的，当V-AGND = 0V 时，V-AOUT= 256*数字量/V-REF
注意：输入数字量的取值为0~255， 输出模拟量的范围是V-AGND~V-REF。

IIC协议

I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。
规定：在传输过程在，在SCL为低电平时，SDA允许改变，在SCL为高电平时读取SDA的电平，SDA不允许改变。

起始时序&结束时序

1.起始信号：SCL为高电平时，SDA产生下降沿，为开始信号
2.结束信号，SCL为高电平时，SDA产生上升沿，为结束信号

官方提供代码如下：

//总线启动条件
void IIC_Start(void)
{
    SDA = 1;        
    SCL = 1;
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SDA = 0;        //SCL为高电平时，SDA产生下降沿，为开始信号
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SCL = 0;	    
}

//总线停止条件
void IIC_Stop(void)
{
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SDA = 1;        //SCL为高电平时，SDA产生上升沿，为结束信号
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
}

等待应答&发送应答

在IIC协议中，主机发送一个字节数据后，从机需要产生应答位（Ack），为0时表示应答成功，此时主机可以选择继续发送或结束本次通信；为1时表示应答失败，此时从机将不再介绍来自主机的数据。
当通信方向为单片机->PCF8591时，单片机每发送一个字节数据，需要等待PCF8591应答，反之则需要单片机发送应答。
应答的规则如下：

【1】 一个字节发送完毕，主机释放数据线（将SDA置为1）
【2】 从机应答，将SDA置为0
【3】 等待SCL为高电平读取应答位，
【4】 读取完毕，从机释放总线
【5】 主机的到应答，选择继续发送数据或结束通信

官方提供代码如下：

//发送应答
void IIC_SendAck(bit ackbit)
{
    SCL = 0;            //将SCL拉低，写入应答位
    SDA = ackbit;  					// 0：应答，1：非应答
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SCL = 1;                        //将SCL拉高，从机读取应答位  
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SCL = 0; 
    SDA = 1;                //主机释放SDA,结束应答
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
}

//等待应答
bit IIC_WaitAck(void)
{
    bit ackbit;
	
    SCL  = 1;   //主机释放SCL,等待从机拉低SCL，发送应答     
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    ackbit = SDA;       //从机发送应答后，释放SCL   
    SCL = 0;            //主机再次拉低SCL，为下一次发送数据或者结束通信做准备
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    return ackbit;
}

写时序

官方提供代码如下：

//通过I2C总线发送数据
void IIC_SendByte(unsigned char byt)
{
    unsigned char i;

    for(i=0; i<8; i++)  
    {
        SCL  = 0;       //SCL拉低
        IIC_Delay(DELAY_TIME);
        if(byt & 0x80) SDA  = 1;    //主机SDA写入数据位1/0
        else SDA  = 0;
        IIC_Delay(DELAY_TIME);
        SCL = 1;                    //SCL拉高，从机读取SDA电平
        byt <<= 1;                  
        IIC_Delay(DELAY_TIME);
    }               //重复八次，完成一个字节的发送
    SCL  = 0;       //将SCL拉低
}

读时序

官方提供代码如下：

//从I2C总线上接收数据
unsigned char IIC_RecByte(void)
{
    unsigned char i, da;
    for(i=0; i<8; i++)      //
    {   
    SCL = 1;            //将SCL拉高，
	IIC_Delay(DELAY_TIME);
	da <<= 1;           
	if(SDA) da |= 1;    //主机读取SDA的状态
	SCL = 0;            //将SDA拉低，从机写入SDA状态
	IIC_Delay(DELAY_TIME);
    }               //循环八次，完成一个字节数据的读取
    return da;      //返回读取的字节
}

PCF8591A/D&D/A的基本控制方法&代码

1.AD转换的具体流程
【1】 单片机发送开始通信信号
【2】 单片机寻址，与PCF8591通信（方向：单片机-> PCF8591）
【3】 等待PCF8591应答，
【4】 应答成功，发送控制指令（AD转换，单端输入，通道为channel）
【5】 等待PCF8591应答，
【6】 应答成功，单片机结束通信
【7】 单片机发送开始通信信号
【8】 单片机寻址，与PCF8591通信（方向： PCF8591->单片机）
【9】 等待PCF8591应答，
【10】 PCF8591发送AD转换后的数字量
【11】 单片机读取数据，并且不应答
【12】 单片机结束通信
【13】 单片机对读取的数据进行处理，

代码如下：

//PCF8591AD转换函数，channel为模拟输入的通道
unsigned char  PCF8591_AD_Conversion(unsigned char channel )
{
    unsigned char dat = 0;
    IIC_Start();        //iic通信开始
    IIC_SendByte(PCF8591_Write_Addr);   //写入从机PCF8591的写地址，
    if(IIC_WaitAck())           //等待从机应答，为1表示不应答，为0表示应答
    {   
        IIC_Stop();         //如果不应答，则结束通信
        return 0;
    }
    IIC_SendByte(0x00 | channel);   //写入控制指令，单端输入，AD转换，选择通道channel
    IIC_WaitAck();      //这一步不能少，否则读出来一直是255
    IIC_Stop();         //结束本次通信，改变收发方向
    
    IIC_Start();        //iic通信开始
    IIC_SendByte(PCF8591_Read_Addr);    //写入从机PCF8591的读地址，
    if(IIC_WaitAck())           //等待应答
    {
        IIC_Stop();          //如果不应答，则结束通信
        return 0;
    }
    dat = IIC_RecByte();    //读取AD转换出的数字量 
    IIC_SendAck(1);         //不应答

    IIC_Stop();             //结束通信
    SEG_Arr[0] = dat/100%10;    //计算数字量的百位
    SEG_Arr[1] = dat/10%10;     //计算数字量的十位
    SEG_Arr[2] = dat%10;        //计算数字量的各位
    
    return dat;
}

2.DA转换的具体流程
【1】 单片机发送开始通信信号
【2】 单片机寻址，与PCF8591通信（方向：单片机-> PCF8591）
【3】 等待PCF8591应答，
【4】 应答成功，发送控制指令（DA转换）
【5】 等待PCF8591应答，
【6】 应答成功，单片机继续发送DA转换的数字量
【7】 等待PCF8591应答，
【8】 应答成功，PCF8591进行DA转换
【9】 单片机结束通信

代码如下：

//PCF8591DA转换函数，dat为输入的数字量
void PCF8591_DA_Conversion(unsigned  char dat)
{
    IIC_Start();        //iic通信开始
    IIC_SendByte(PCF8591_Write_Addr);   //写入PCF8591的写地址
    if(IIC_WaitAck())           //等待应答
    {
        IIC_Stop();             //如果不应答，就结束通信
    }
    else
    {
        IIC_SendByte(0x40);     //写入控制指令，DA转换
        IIC_WaitAck();      //等待应答
        IIC_SendByte(dat);      //写入数字量
        IIC_WaitAck();      //等待应答
        IIC_Stop();         //结束通信
    }
}

实践部分

1.任务要求

通过官方提供的iic代码，完成与PCF8591之间的通信，具体要求如下：

使用通道0和通道3模拟输入，进行AD转换，并将输出的数字量通过数码管显示出来

通过按键S5控制模拟输入的通道，每次按下按键，通道在0和3之间跳变，并通过数码管显示当前模拟输入的通道数

将输出的数字量进行DA转换，模拟输出

测量OUT引脚的电压，判断模拟输出是否正确
数码管显示格式如下 – 通道 – [空] [空] 数字量

2.实现思路

3.代码展示

3.1.main.c

#include <STC15F2K60S2.H>
#include "LS138.h"
#include "iic.h"
#define  PCF8591_Write_Addr   0x90  //PCF8591写地址
#define  PCF8591_Read_Addr    0x91  //PCF8591读地址
unsigned char SEG_Arr[3];       //数码管显示数字
unsigned char dat = 0;          //存放PCF8591读取的内容
unsigned int INT0_Count = 0;
unsigned char channel = 3;
void IT0_Init()
{
    IT0= 1;
    EX0 =1;
    EA =1;
}
//PCF8591AD转换函数，channel为模拟输入的通道
unsigned char  PCF8591_AD_Conversion(unsigned char channel )
{
    unsigned char dat = 0;
    IIC_Start();        //iic通信开始
    IIC_SendByte(PCF8591_Write_Addr);   //写入从机PCF8591的写地址，
    if(IIC_WaitAck())           //等待从机应答，为1表示不应答，为0表示应答
    {   
        IIC_Stop();         //如果不应答，则结束通信
        return 0;
    }
    IIC_SendByte(0x00 | channel);   //写入控制指令，单端输入，AD转换，选择通道channel
    IIC_WaitAck();      //这一步不能少，否则读出来一直是255
    IIC_Stop();         //结束本次通信，改变收发方向
    
    IIC_Start();        //iic通信开始
    IIC_SendByte(PCF8591_Read_Addr);    //写入从机PCF8591的读地址，
    if(IIC_WaitAck())           //等待应答
    {
        IIC_Stop();          //如果不应答，则结束通信
        return 0;
    }
    dat = IIC_RecByte();    //读取AD转换出的数字量 
    IIC_SendAck(1);         //不应答

    IIC_Stop();             //结束通信
    SEG_Arr[0] = dat/100%10;    //计算数字量的百位
    SEG_Arr[1] = dat/10%10;     //计算数字量的十位
    SEG_Arr[2] = dat%10;        //计算数字量的各位
    
    return dat;
}
//PCF8591DA转换函数，dat为输入的数字量
void PCF8591_DA_Conversion(unsigned  char dat)
{
    IIC_Start();        //iic通信开始
    IIC_SendByte(PCF8591_Write_Addr);   //写入PCF8591的写地址
    if(IIC_WaitAck())           //等待应答
    {
        IIC_Stop();             //如果不应答，就结束通信
    }
    else
    {
        IIC_SendByte(0x40);     //写入控制指令，DA转换
        IIC_WaitAck();      //等待应答
        IIC_SendByte(dat);      //写入数字量
        IIC_WaitAck();      //等待应答
        IIC_Stop();         //结束通信
    }
}
void SEG_Show()
{
        SEG_Write(0,10);
        SEG_Write(1,channel);
        SEG_Write(2,10);
        SEG_Write(5,SEG_Arr[0]);
        SEG_Write(6,SEG_Arr[1]);
        SEG_Write(7,SEG_Arr[2]);
}
void main()     
{
    LS138_Init();       //LS138初始化
    IT0_Init();
	while(1)
	{
         dat = PCF8591_AD_Conversion(channel);       //选择通道3输入，通过电阻分压，模拟输入
         PCF8591_DA_Conversion(dat);                 //将读取的数字量通过DA转换，输出
         SEG_Show();

	}
}

void External_Hander0() interrupt 0
{
    INT0_Count++;
    if(INT0_Count % 2)
    {
        channel =3;
    }
    else
    {
       channel =1;
    }
}

3.2.数码管显示函数

                                   /*0    1   2     3    4    5    6   7     8    9 */
unsigned char code SEG_index[] = {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,
                                   0xBF  }; //写0点亮


void SEG_Write(unsigned char pos, unsigned char dat)
{
    LS138_Clear();
    P0 = 0x00;
    LS138_Set(7);
    P0 = SEG_index[dat];
    LS138_Clear();
    P0 = 0x00;
    LS138_Set(6);
    P0 = 0x01 << pos;
    LS138_Clear();
    Delayxms(1);

}

void SEG_Show()
{
        SEG_Write(0,10);
        SEG_Write(1,channel);
        SEG_Write(2,10);
        SEG_Write(5,SEG_Arr[0]);
        SEG_Write(6,SEG_Arr[1]);
        SEG_Write(7,SEG_Arr[2]);
}

3.3.官方提供的iic文件

/*
  程序说明: IIC总线驱动程序
  软件环境: Keil uVision 4.10 
  硬件环境: CT107单片机综合实训平台 8051，12MHz
  日    期: 2011-8-9
*/


#include "iic.h"
#define DELAY_TIME 5

#define SlaveAddrW 0xA0
#define SlaveAddrR 0xA1

//总线引脚定义
sbit SDA = P2^1;  /* 数据线 */
sbit SCL = P2^0;  /* 时钟线 */

void IIC_Delay(unsigned char i)
{
    do{_nop_();}
    while(i--);        
}
//总线启动条件
void IIC_Start(void)
{
    SDA = 1;        
    SCL = 1;
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SDA = 0;        //SCL为高电平时，SDA产生下降沿，为开始信号
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SCL = 0;	    
}

//总线停止条件
void IIC_Stop(void)
{
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SDA = 1;        //SCL为高电平时，SDA产生上升沿，为结束信号
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
}

//发送应答
void IIC_SendAck(bit ackbit)
{
    SCL = 0;            //将SCL拉低，写入应答位
    SDA = ackbit;  					// 0：应答，1：非应答
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SCL = 1;                        //将SCL拉高，从机读取应答位  
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    SCL = 0; 
    SDA = 1;                //主机释放SDA,结束应答
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
}

//等待应答
bit IIC_WaitAck(void)
{
    bit ackbit;
	
    SCL  = 1;   //主机释放SCL,等待从机拉低SCL，发送应答     
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    ackbit = SDA;       //从机发送应答后，释放SCL   
    SCL = 0;            //主机再次拉低SCL，为下一次发送数据或者结束通信做准备
    IIC_Delay(DELAY_TIME);
    return ackbit;
}

//通过I2C总线发送数据
void IIC_SendByte(unsigned char byt)
{
    unsigned char i;

    for(i=0; i<8; i++)  
    {
        SCL  = 0;       //SCL拉低
        IIC_Delay(DELAY_TIME);
        if(byt & 0x80) SDA  = 1;    //主机SDA写入数据位1/0
        else SDA  = 0;
        IIC_Delay(DELAY_TIME);
        SCL = 1;                    //SCL拉高，从机读取SDA电平
        byt <<= 1;                  
        IIC_Delay(DELAY_TIME);
    }               //重复八次，完成一个字节的发送
    SCL  = 0;       //将SCL拉低
}

//从I2C总线上接收数据
unsigned char IIC_RecByte(void)
{
    unsigned char i, da;
    for(i=0; i<8; i++)      //
    {   
    SCL = 1;            //将SCL拉高，
	IIC_Delay(DELAY_TIME);
	da <<= 1;           
	if(SDA) da |= 1;    //主机读取SDA的状态
	SCL = 0;            //将SDA拉低，从机写入SDA状态
	IIC_Delay(DELAY_TIME);
    }               //循环八次，完成一个字节数据的读取
    return da;      //返回读取的字节
}

总结

在蓝桥杯单片机的板子上，PCF8591的基准电压为VCC，理论上是5V，但实际上会与5V存在差距，在本次实验中，我测得的VCC电压为4.53V，那么，如果假设输入数字量为100，进行DA转换之后的电压，就不是5100/255 = 1.96V 而因该是 4.53100/255 = 1.77V这一点需要注意。

如图：