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单片机PCF8591信号传输详解

PCF8591 是一款结合了模拟到数字转换器（A/D）和数字到模拟转换器（D/A）的芯片，广泛应用于各种需要模拟与数字信号交互的系统。其具有多通道模拟输入、模拟输出以及灵活的控制字节配置功能，非常适合在自动化控制、传感器接口等领域中使用。本文将从多个方面介绍 PCF8591 的工作原理、功能以及应用。

视频讲解：
51单片机入门教程-2020版 程序全程纯手打 从零开始入门

PCF8591介绍

PCF8591是八位的A/D和D/A转换器，通过I2C总线串行输入/输出，通过3个硬件地址（A0、A1、A2）引脚编址，具有4个模拟输入（AIN0~AIN3）通道，1个输出通道（AOUR：D/A转换输出端）和1个串行I2C总线接口。

I²C 总线接口

PCF8591 通过 I²C 总线进行与外部设备的通信。I²C 是一种常见的串行通信协议，由两根信号线组成：SCL（时钟线）和 SDA（数据线）。除此之外，PCF8591 还通过 A0、A1、A2 引脚设置硬件地址，方便与其他 I²C 设备进行区分。

主要寄存器功能

PCF8591 中有多个重要寄存器来控制其功能：

  • 状态寄存器（STATUS REGISTER）：存储芯片的状态信息。
  • DAC 数据寄存器（DAC DATA REGISTER）：存储 D/A 转换的数据。
  • ADC 数据寄存器（ADC DATA REGISTER）：存储 A/D 转换后的数字数据。

    • 电源和复位

    PCF8591 由 VDD 和 VSS 提供电源，且芯片上电时会自动进行复位操作，以确保其在正确的状态下开始工作。

    振荡器

    PCF8591 内置了一个振荡器，OSC 引脚可以接入外部时钟信号，或者使用芯片内部的振荡器生成时钟信号，为芯片提供所需的工作时钟。

    控制逻辑

    PCF8591 内部有控制逻辑模块，根据状态寄存器的内容和控制字节的设置，控制芯片的工作模式和操作流程。

    模拟多路复用器（Analog Multiplexer）

    该芯片配备了一个模拟多路复用器，支持将四个模拟输入通道（AIN0 – AIN3）进行选择。用户可以根据需要将这些输入配置为单端或差分输入模式，适应不同的应用需求。

    采样保持电路（Sample and Hold）

    采样保持电路用于采样输入的模拟信号，并将其保持一段时间，以便进行 A/D 转换。这一过程确保了模拟信号在转换过程中的稳定性。

    比较器（Comparator）

    PCF8591 内部集成了一个比较器，用于将采样保持电路中的模拟信号与 DAC 输出的信号进行比较，支持逐次逼近算法的实现。这一过程是 A/D 转换的关键部分。

    逐次逼近寄存器 / 逻辑（SAR Logic）

    PCF8591 使用逐次逼近算法（Successive Approximation）进行 A/D 转换。通过逐步逼近的方法，模拟信号会被转化为相应的数字信号，并存储在 ADC 数据寄存器中。

    D/A 转换器（DAC）

    PCF8591 的 D/A 转换器将存储在 DAC 数据寄存器中的数字信号转化为模拟电压信号，并通过 AOUT 引脚输出。参考电压（VREF）和模拟地（AGND）为 D/A 转换提供了基准电压。

    控制字节的结构

    控制字节由 8 位组成，最高位（MSB）和次高位固定为 0，剩余的 6 位用于配置芯片的不同功能。控制字节中的具体位控制如下：

    1. 模拟输入编程（ANALOGUE INPUT PROGRAMMING）：
  • 00：配置为四个单端输入
  • 01：配置为三个差分输入
  • 10：单端和差分混合输入
  • 11：配置为两个差分输入

    1. A/D 通道号（A/D CHANNEL NUMBER）
      由控制字节低四位中的低两位来决定，分别对应选择通道 0、通道 1、通道 2、通道 3。
      通道1为光敏电阻，通道3为滑动电阻。

    2. 自动递增标志（AUTO-INCREMENT FLAG）
      如果该位为 1，则激活自动递增功能，A/D 转换完成后，通道号会自动递增。

    3. 模拟输出使能标志（ANALOGUE OUTPUT ENABLE FLAG）
      若该位为 1，则激活模拟输出功能。

    一般来说，使用AD时的配置为光敏电阻：0x01 ，滑动电阻：0x03，
    DA：0x41。

    功能描述

  • 在 I²C 总线系统中，每一个 PCF8591 设备都需通过向其发送有效地址来激活。该地址由固定部分和可编程部分构成。可编程部分必须依据地址引脚 A0、A1 和 A2 进行设置。在 I²C 总线协议里，地址总是要在起始条件之后作为第一个字节发送出去。地址字节的最后一位是读 / 写位，它决定了后续数据传输的方向

  • 地址发送规范：I²C 总线有着严格的通信协议规范，在数据传输流程中，当主设备发起与 PCF8591 设备的通信时，首先会发送一个起始条件信号（SDA 线由高电平跳变为低电平，同时 SCL 线保持高电平）。在起始条件信号之后，主设备紧接着要发送的第一个字节就是目标 PCF8591 设备的地址，这种规范保证了总线上所有设备能准确识别主设备的通信意图。

  • 读 / 写位功能：地址字节的最后一位起着关键作用，它被称为读 / 写位。当这个读 / 写位被设置为 0 时，就表示后续的数据传输方向是主设备向 PCF8591 设备写入数据；反之，若读 / 写位为 1，则意味着后续主设备要从 PCF8591 设备读取数据。例如，当主设备需要获取 PCF8591 的 A/D 转换结果时，发送的地址字节中的读 / 写位会被置为 1；而当主设备要配置 PCF8591 的控制字节时，读 / 写位则会被设置为 0。

    • 代码实现

    创建iic.c和iic.h

    iic.h

    #ifndef __iic_H__
#define __iic_H__

unsigned char AD_Read();
void unsigned char DA_Write(unsigned char data);

#endif

    iic.c

    导入官方给的iic底层通信协议代码，在最后添加函数unsigned char AD_Read()和
    void unsigned char DA_Write(unsigned char data)。

    #include <STC15F2K60S2.H>
#include <intrins.h>
/*	#   I2C代码片段说明
	1. 	本文件夹中提供的驱动代码供参赛选手完成程序设计参考。
	2. 	参赛选手可以自行编写相关代码或以该代码为基础，根据所选单片机类型、运行速度和试题
		中对单片机时钟频率的要求，进行代码调试和修改。
*/

#define DELAY_TIME	5
sbit scl = P2^0;
sbit sda = P2^1;
//
static void I2C_Delay(unsigned char n)
{
    do
    {
        _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
        _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
        _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();		
    }
    while(n--);      	
}

//
void I2CStart(void)
{
    sda = 1;
    scl = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    sda = 0;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    scl = 0;    
}

//
void I2CStop(void)
{
    sda = 0;
    scl = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    sda = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
}

//
void I2CSendByte(unsigned char byt)
{
    unsigned char i;
	
    for(i=0; i<8; i++){
        scl = 0;
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
        if(byt & 0x80){
            sda = 1;
        }
        else{
            sda = 0;
        }
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
        scl = 1;
        byt <<= 1;
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
    }
	
    scl = 0;  
}

//
unsigned char I2CReceiveByte(void)
{
	unsigned char da;
	unsigned char i;
	for(i=0;i<8;i++){   
		scl = 1;
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
		da <<= 1;
		if(sda) 
			da |= 0x01;
		scl = 0;
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
	}
	return da;    
}

//
unsigned char I2CWaitAck(void)
{
	unsigned char ackbit;
	
    scl = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    ackbit = sda; 
    scl = 0;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
	
	return ackbit;
}

//
void I2CSendAck(unsigned char ackbit)
{
    scl = 0;
    sda = ackbit; 
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    scl = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    scl = 0; 
	sda = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
}
unsigned char AD_Read()
{
    unsigned char temp; // 声明一个变量来存储返回的值
    
    I2CStart(); // 开始 I²C 通信
    I2CSendByte(0x90); // 发送字节 0x90 (设备地址 + 写操作)
    I2CWaitAck(); // 等待设备的 ACK 确认
    
    I2CSendByte(0x01); // 选择通道1即光敏电阻
    //I2CSendByte(0x03); // 选择通道3即滑动电阻
    I2CWaitAck(); // 等待设备的 ACK 确认
    
    I2CStart(); // 再次开始 I²C 通信
	I2CSendByte(0x91); // 发送字节 0x91 (设备地址 + 读操作)
    I2CWaitAck(); // 等待设备的 ACK 确认
    
    temp = I2CReceiveByte(); // 接收一个字节数据
    I2CSendAck(1); // 发送 ACK 信号
    I2CStop(); // 结束 I²C 通信
    
    return temp; // 返回读取的字节数据
}

void unsigned char DA_Write(unsigned char data)
{
	I2CStart();
	I2CSendByte(0x90);
	I2CWaitAck();
	I2CSendByte(0x41);//数字转模拟量
	I2CWaitAck();
	I2CSendByte(data);
	I2CWaitAck();
	
	I2CStop();
}

    作者：星光始终闪耀

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