数模A/D和模数D/A转换的基本应用（上）

单片机是一个典型的数字系统。数字系统只能对输入的数字信号进行处理，但是在工业检测系统和日常生活中的许多物理量都是模拟量，这些模拟量可以通过传感器变成与之对应的数字量便于处理和显示。

A/D和D/A的基本概念

A/D是模拟量到数字量的转换，依靠的是模数转换器(Analog to Digital Converter)，简称ADC。D/A是数字量到模拟量的转换，依靠的是数模转换器(Digital to Analog Converter)，简称DAC。本项目中主要以A/D为例。

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，由于有一定的间隔，不是连续的，也称之为离散。ADC就是把连续的信号用离散的数字表达出来。

A/D的主要指标

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。

1、ADC的位数

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。

2、基准源

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。

3、分辨率

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模块硬件应用说明

PCF8591是Philips公司的产品，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总线来传输，PCF8591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 PCF8591芯片连接原理图

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总线的SDA和SCL。12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。

** PCF8591模块使用说明（淘宝购买）**

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：

P4接上P4短路帽，选择热敏电阻接入电路，AN1通路；

P5接上P5短路帽，选择光敏电阻接入电路，AN0通路；

P6接上P6短路帽，选择0-5V可调电压接入电路，AN3通路；

由于在本实验中读取该3路的具体值，所以实验中并未取下短路帽。

图3 模块引脚连接方式

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。

注：如果需要使用四路外部电压输入，请将3个红色短路帽都取下。

模块功能描述（资料中带有）

1、模块支持外部4路电压输入采集（电压输入范围 0-5v）；

2、模块集成光敏电阻，可以通过AD采集环境光强精确数值；

3、模块集成热敏电阻，可以通过AD采集环境温度精确数值；

4、模块集成1路0-5V电压输入采集（通过蓝色电位器调节输入电压）；

5、模块带电源指示灯（对模块供电后指示灯会亮）；

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；

7、模块PCB尺寸：3.6cm*2.3cm；

8、标准双面板，板厚1.6mm，布局美观大方，四周设有通孔，孔径为：3mm，方便固定。

** PCF8591的软件编程**

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。

图4 PCF8591地址字节

在程序中有这么一段代码，0x48是由高四位和低3位组成的，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。

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

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。

图5 PCF8591 控制字节

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。

图6 PCF8591模拟输入配置方式

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。

I2C总线与通讯时序的介绍

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数据线负责传输数据。I2C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寻址模式**

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。

I2C时序认识

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在通信过程中有起始信号、数据传输和停止信号，如图7所示。

图7 I2C通信流程解析

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。

void I2CStart()
{
    I2C_SDA = 1; //首先确保 SDA、SCL都是高电平
    I2C_SCL = 1;
    Delay();
    I2C_SDA = 0; //先拉低 SDA
    Delay();
    I2C_SCL = 0; //再拉低 SCL
}

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。

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

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_()。

图8 I2C总线时间限制图

图9 具体时间分布图

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。

3、无论是读数据还是写数据，都是主机动作！

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！

unsigned char I2CReadACKORNOT(bit cnt)
{
    unsigned char BitCnt;
    unsigned char dat;
    I2C_SDA = 1;  //首先确保主机释放SDA
    for (BitCnt=0x80; BitCnt!=0; BitCnt > >=1) //从高位到低位依次进行
    {


        Delay();
        I2C_SCL = 1;      //拉高SCL
        if(I2C_SDA == 0)  //读取SDA的值
               dat &= ~BitCnt; //为0时，dat中对应位清零
        else
              dat |= BitCnt;  //为1时，dat中对应位置1
        Delay();
        I2C_SCL = 0;      //再拉低SCL，以使从机发送出下一位
    }
    if(cnt)
      I2C_SDA = 0;   //8位数据发送完后，拉低SDA，发送应答信号
    else
      I2C_SDA = 1;
    Delay();
    I2C_SCL = 1;   //拉高SCL
    Delay();
    I2C_SCL = 0;   //再拉低SCL完成应答位，并保持住总线
    return dat;
}

对于写操作类似，不在此重复叙述。

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。

void I2CStop()
{
    I2C_SCL = 0; //首先确保SDA、SCL都是低电平
    I2C_SDA = 0;
    Delay();
    I2C_SCL = 1; //先拉高 SCL
    Delay();
    I2C_SDA = 1; //再拉高 SDA
    Delay();
}

实现现象：

采集PCF8591模块的3路信号。