單片機是一個典型的數字系統。數字系統只能對輸入的數字信號進行處理，但是在工業檢測系統和日常生活中的許多物理量都是模擬量，這些模擬量可以通過傳感器變成與之對應的數字量便于處理和顯示。

A/D和D/A的基本概念

A/D是模擬量到數字量的轉換，依靠的是模數轉換器(Analog to Digital Converter)，簡稱ADC。D/A是數字量到模擬量的轉換，依靠的是數模轉換器(Digital to Analog Converter)，簡稱DAC。本項目中主要以A/D為例。

模擬量是指變量在一定范圍內連續變化的量，在任意時刻都有相應的值與之對應。比如天氣溫度值，在每時每刻都有溫度值，也稱之為連續變化的量。相對應的是數字量，數字量只有在特定的時間才有相對應的值，由于有一定的間隔，不是連續的，也稱之為離散。ADC就是把連續的信號用離散的數字表達出來。

A/D的主要指標

在選取和使用A/D的時候，依靠什么指標來判斷很重要。由于AD的種類很多，分為積分型、逐次逼近型、并行/串行比較型等多種類型，同時指標也比較多，介紹常用的三種。

1、ADC的位數

一個n位的ADC表示這個ADC共有2的n次方個刻度。8位的ADC，輸出的是從0～255一共256個數字量，也就是2的8次方個數據刻度。

2、基準源

基準源，也叫基準電壓，是ADC的一個重要指標，要想把輸入ADC的信號測量準確，那么基準源首先要準，基準源的偏差會直接導致轉換結果的偏差。

3、分辨率

分辨率是數字量變化一個最小刻度時，模擬信號的變化量，定義為滿刻度量程與2n-1的比值。假定5.10V的電壓系統，使用8位的ADC進行測量，那么相當于0～255一共256個刻度把5.10V平均分成了255份，那么分辨率就是5.10/255 = 0.02V。

PCF8591模塊硬件應用說明

PCF8591是Philips公司的產品，是一個單電源低功耗的8位CMOS數據采集器件，具有4路模擬輸入，1路模擬輸出和一個串行I2C總線接口用來與單片機通信，該模塊從某寶采購，如圖1所示，該模塊共有8個引腳，在本項目中接左側的SCL、SDA、GND、VCC即可。

具有16引腳的芯片即為PCF8591，原理圖如圖2所示。該芯片允許最多8個器件連接到I2C總線而不需要額外的片選電路。器件的地址、控制以及數據都是通過I2C總線來傳輸，PCF8591的ADC是逐次逼近型，轉換速度取決于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，主要應用在一些轉換速度要求不高，希望成本較低的場合，比如電池供電設備，測量電池的供電電壓。

圖2 PCF8591芯片連接原理圖

圖2中引腳1、2、3、4是4路模擬輸入，對應的實物是圖1中的右側引腳，通過絲印層即可觀察得到。5、6、7引腳對應A0、A1、A2，是I2C總線的硬件地址，用于編程硬件地址，8腳是數字地GND，9腳和10腳是I2C總線的SDA和SCL。12腳是時鐘選擇引腳，如果接高電平表示用外部時鐘輸入，接低電平則用內部時鐘，電路用的是內部時鐘，因此12腳直接接GND，同時11腳懸空。13腳是模擬地AGND，在實際開發中，如果有比較復雜的模擬電路，那么AGND部分在布局布線上要特別處理，而且和GND的連接也有多種方式。在板子上沒有復雜的模擬部分電路，所以把AGND和GND接到一起。14腳是基準源，15腳是DAC的模擬輸出，16腳是供電電源VCC。

14腳Vref基準電壓的提供有兩種方法。一是采用簡易的原則，直接接到VCC上去，但是由于VCC會受到整個線路的用電功耗情況影響，相對來說并不是很準確，通常用于精度要求不高的場合。方法二是使用專門的基準電壓器件，比如TL431，它可以提供一個精度很高的2.5V的電壓基準，本項目中采用方法一。

** PCF8591模塊使用說明（淘寶購買）**

模塊共有3個黑色短路帽，如圖1 PCF8591模塊所示，通過絲印層觀察可見J4、J5、J6，相應的原理圖如圖3所示，分別作用如下：

P4接上P4短路帽，選擇熱敏電阻接入電路，AN1通路；

P5接上P5短路帽，選擇光敏電阻接入電路，AN0通路；

P6接上P6短路帽，選擇0-5V可調電壓接入電路，AN3通路；

由于在本實驗中讀取該3路的具體值，所以實驗中并未取下短路帽。

圖3 模塊引腳連接方式

這里需要注意的是AN3雖然測的是+5V的值，但是對于AD來說，只要輸入信號超過Vref基準源，它得到的始終都是最大值，即255，也就是說它實際上無法測量超過其Vref的電壓信號。需要注意的是，所有輸入信號的電壓值都不能超過VCC，即+5V，否則可能會損壞ADC芯片。

注：如果需要使用四路外部電壓輸入，請將3個紅色短路帽都取下。

模塊功能描述（資料中帶有）

1、模塊支持外部4路電壓輸入采集（電壓輸入范圍 0-5v）；

2、模塊集成光敏電阻，可以通過AD采集環境光強精確數值；

3、模塊集成熱敏電阻，可以通過AD采集環境溫度精確數值；

4、模塊集成1路0-5V電壓輸入采集（通過藍色電位器調節輸入電壓）；

5、模塊帶電源指示燈（對模塊供電后指示燈會亮）；

6、模塊帶DA輸出指示燈，當模塊DA輸出接口電壓達到一定值，會點亮板上DA輸出指示燈，電壓越大，指示燈亮度越明顯；

7、模塊PCB尺寸：3.6cm*2.3cm；

8、標準雙面板，板厚1.6mm，布局美觀大方，四周設有通孔，孔徑為：3mm，方便固定。

** PCF8591的軟件編程**

PCF8591的通信接口是I2C。單片機對PCF8591進行初始化，一共發送三個字節即可。第一個字節是器件地址字節，其中7位代表地址，1位代表讀寫方向（最低位），“0”表示主機向從機寫數據，“1”表示主機向從機讀數據。地址高4位固定是0b1001，低三位是A2，A1，A0，這三位電路上都接了GND，因此也就是0b000，如圖4所示。

圖4 PCF8591地址字節

在程序中有這么一段代碼，0x48是由高四位和低3位組成的，即0b1001000，由于讀寫位在第0位，所以需要整體左移一位，程序中if用于判斷是否存在該器件，如果不存在則I2CWrite函數返回1，則執行I2CStop();return 0;這兩條語句，return函數會結束當前函數；反之，返回0，略過if語句，繼續執行下面的語句。

if(I2CWrite(0x48< 1))
  {
    I2CStop();
    return 0;
  }

發送到PCF8591的第二個字節將被存儲在控制寄存器，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，如圖5所示。

圖5 PCF8591 控制字節

控制字節的第6位是DA使能位，這一位置1表示DA輸出引腳使能，會產生模擬電壓輸出功能。第4位和第5位可以實現把PCF8591的4路模擬輸入配置成單端模式和差分模式，這里只需要知道這兩位是配置AD輸入方式的控制位即可，如圖6所示，本項目中采用“00”模式。

圖6 PCF8591模擬輸入配置方式

控制字節的第2位是自動增量控制位，自動增量的意思就是，比如一共有4個通道，當全部使用的時候，讀完了通道0，下一次再讀，會自動進入通道1進行讀取，不需要我們指定下一個通道，由于A/D每次讀到的數據，都是上一次的轉換結果，所以在使用自動增量功能的時候，要特別注意，當前讀到的是上一個通道的值！

控制字節的第0位和第1位就是通道選擇位，00、01、10、11代表了從0到3的一共4個通道選擇。

發送給PCF8591的第三個字節D/A數據寄存器，表示D/A模擬輸出的電壓值。如果僅僅使用A/D功能的話，就可以不發送第三個字節。

I2C總線與通訊時序的介紹

在項目六中接觸到了第一種通信協議----UART異步串行通信，本項目中學習第二種通信協議----I2C。I2C總線是由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，多用于連接微處理器及其外圍芯片。I2C總線的主要特點是接口方式簡單，兩條線可以掛多個參與通信的器件，即多機模式，而且任何一個器件都可以作為主機，當然同一時刻只能有一個主機。I2C屬于同步通信，SCL時鐘線負責收發雙方的時鐘節拍，SDA數據線負責傳輸數據。I2C的發送方和接收方都以SCL這個時鐘節拍為基準進行數據的發送和接收。在本項目中，I2C用于單片機和PCF8591之間的通信。

** I2C尋址模式**

I2C通信在字節級的傳輸中，也有固定的時序要求。I2C通信的起始信號(Start)后，首先要發送一個從機的地址，這個地址一共有7位，緊跟著的第8位是數據方向位(R/W)，“0”表示接下來要發送數據（寫），“1”表示接下來是請求數據（讀）。

當發送完了這7位地址和1位方向后，如果發送的這個地址確實存在，那么這個地址的器件應該回應一個ACK（拉低SDA即輸出“0”），如果不存在，就沒“人”回應ACK（SDA將保持高電平即“1”）。ACK類似在打電話的時候，當撥通電話，接聽方撿起電話肯定要回一個“喂”，這就是告訴撥電話的人，這邊有人了。同理，這個第九位ACK實際上起到的就是這樣一個作用。

在前面提到PCF8591的7位地址中高4位固定是0b1001，緊接低三位是A2，A1，A0，這三位電路上都接了GND，因此也就是0b000，因此PCF8591的7位地址實際上是二進制的0b1001000，也就是0x48。

I2C時序認識

I2C總線是由時鐘總線SCL和數據總線SDA兩條線構成，所有器件的SCL都連到一起，所有SDA都連到一起。I2C總線是開漏引腳并聯的結構，因此外部要添加上拉電阻。對于開漏電路外部加上拉電阻，就組成了線“與”的關系。總線上線“與”的關系就是說，所有接入的器件保持高電平，這條線才是高電平，而任何一個器件輸出一個低電平，那這條線就會保持低電平，因此可以做到任何一個器件都可以拉低電平，也就是任何一個器件都可以作為主機，如圖2所示，添加了R8和R9兩個上拉電阻。

I2C在通信過程中有起始信號、數據傳輸和停止信號，如圖7所示。

圖7 I2C通信流程解析

I2C分為起始信號、數據傳輸部分、停止信號。其中數據傳輸部分，可以一次通信過程傳輸很多個字節，字節數是不受限制的，而每個字節的數據最后也跟了一位，這一位叫做應答位，通常用ACK表示應答，NACK表示非應答。

起始信號：UART通信是從一直持續的高電平出現一個低電平標志起始位；而I2C通信的起始信號的定義是SCL為高電平期間，SDA由高電平向低電平變化產生一個下降沿，表示起始信號，如圖7中的Start部分所示，相應的代碼如下所示。

void I2CStart()
{
    I2C_SDA = 1; //首先確保 SDA、SCL都是高電平
    I2C_SCL = 1;
    Delay();
    I2C_SDA = 0; //先拉低 SDA
    Delay();
    I2C_SCL = 0; //再拉低 SCL
}

根據程序的時序圖較易理解，程序中使用了Delay()函數，那么Delay()延時多少時間？在程序定義中可以看到。

#define Delay() { nop (); nop (); nop (); nop (); nop ();}

一個_nop_()表示大概是一個機器周期，約為5us，為什么是這個值？根據PCF8591操作手冊要求，如圖8所示，需要持續tHD;STA 的時間，結合圖9，tHD;STA 的最小值為4us，沒有最大值，從圖9中還可以看到有的需要持續5us，所以統一方便定義Delay()的時間為5個_nop_()。

圖8 I2C總線時間限制圖

圖9 具體時間分布圖

數據傳輸：I2C通信是高位在前，低位在后。I2C不像UART有固定波特率，但是有時序要求：當SCL在低電平的時候，SDA允許變化，也就是說，發送方必須先保持SCL是低電平，才可以改變數據線SDA，輸出要發送的當前數據的一位；而當SCL在高電平的時候，SDA絕對不可以變化，因為這個時候，接收方要來讀取當前SDA的電平信號是0還是1，因此要保證SDA的穩定，如圖7中的每一位數據的變化，都是在SCL的低電平位置。8位數據位后邊跟著的是一位應答位。

數據傳輸又分為兩種：主機向從機寫數據和主機向從機讀取數據，再次強調下一般來說單片機為主機，從機為24C02、PCF8591等具備I2C協議的專用芯片。

1、當讀數據的時候，從設備每發送完8個數據位，如果主機繼續讀下一個字節，主機應該回答“ACK”以提示從機準備下一個數據，如果主機不希望讀取更多字節，主機應該回答“NACK”以提示從機設備準備接收Stop信號。

2、當寫數據的時候，主機每發送完8個數據位，從機設備如果還要一個字節應該回答“ACK”，從機設備如果不接受更多的字節應該回答“NACK”，主機當收到“NACK”或者一定時間之后沒收到任何數據將視為超時，此時主機放棄數據傳送。

3、無論是讀數據還是寫數據，都是主機動作！

根據讀操作特點編寫以下程序，I2CReadACKORNOT函數中的參數為1表示繼續讀下一字節，根據函數可知此時回答的是“ACK”；反之，為非1時，主機回應了“NACK”。不同于UART協議，I2C傳輸數據從高位開始，程序中巧妙地設置了BitCnt的值為0x80，對應的二進制為0b1000 0000，如果此時從機傳給主機的值為0，那么“dat &= ~BitCnt”后，dat的最高位為0，如果從機傳給主機的值為1，那么“dat |= BitCnt t”后，dat的最高位為1。一次循環后BitCnt>>=1，此時BitCnt的值為0x40，對應的二進制為0b0100 0000。通過此方式，依次讀取出從機傳給主機的數據，最后函數返回dat值！

unsigned char I2CReadACKORNOT(bit cnt)
{
    unsigned char BitCnt;
    unsigned char dat;
    I2C_SDA = 1;  //首先確保主機釋放SDA
    for (BitCnt=0x80; BitCnt!=0; BitCnt >?>=1) //從高位到低位依次進行
    {


        Delay();
        I2C_SCL = 1;      //拉高SCL
        if(I2C_SDA == 0)  //讀取SDA的值
               dat &= ~BitCnt; //為0時，dat中對應位清零
        else
              dat |= BitCnt;  //為1時，dat中對應位置1
        Delay();
        I2C_SCL = 0;      //再拉低SCL，以使從機發送出下一位
    }
    if(cnt)
      I2C_SDA = 0;   //8位數據發送完后，拉低SDA，發送應答信號
    else
      I2C_SDA = 1;
    Delay();
    I2C_SCL = 1;   //拉高SCL
    Delay();
    I2C_SCL = 0;   //再拉低SCL完成應答位，并保持住總線
    return dat;
}

對于寫操作類似，不在此重復敘述。

停止信號：I2C通信停止信號的定義是SCL為高電平期間，SDA由低電平向高電平變化產生一個上升沿，表示結束信號，如圖7中的Stop部分所示，相應的代碼如下所示。

void I2CStop()
{
    I2C_SCL = 0; //首先確保SDA、SCL都是低電平
    I2C_SDA = 0;
    Delay();
    I2C_SCL = 1; //先拉高 SCL
    Delay();
    I2C_SDA = 1; //再拉高 SDA
    Delay();
}

實現現象：

采集PCF8591模塊的3路信號。