PCF8591使用及Python控制
INTRODUCTION
大家一定对于PCF8591芯片，对于其中的A0、A1、A2、channel0-channel3、AIN0-AIN3、AOUT、SCL、SDA等等以及I2C协议有着很大的困惑。同时也没有完全理解Python代码中的0x40、0x41、0x42、0x43、0x48到底是什么，bus.write_byte(0x48, 0x40) bus.write_byte(0x48, 0x40, value) bus.read_byte(0x48)这些代码到底控制什么。
这篇文章将帮助大家理清以上内容。
一、PCF8591与Raspberry Pi的关系
做一个很简单的形象化，将整个系统看作一个进水/出水装置。
装置有四根进水管，分别命名为AIN0, AIN1, AIN2, AIN3，还有唯一一根出水管，命名为AOUT。还有四个中转通道，分别命名为channel0, channel1, channel2, channel3，从四根进水管进来的水可以受控制地从某一个通道中流出，进入总管道，之后通过两根出水管道——SDA和SCL，进入一个水的加工处理储存设备。
Raspberry PI是“MASTER”，PCF是“SLAVER”，他们之间是主从关系。如果主器件要发送数据给从器件，则会启动数据传输，并发送数据至从器件，最后终止数据传输；如果主器件想要接受从器件发来的数据，同样也是发出命令启动数据传输，接收从器件发来的数据，最后终止接收过程。
强调一点：每次数据传输都是由“MASTER”主动开启的。
是否清晰了一些？理清总的关系以后我们再来看具体细节。
二、PCF的地址与A0-A2引脚
一个“MASTER”不可能只有一个“SLAVER”。所以对于“MASTER”来说，需要给“SLAVERS”编号，以便控制、命令。这个编号也就是PCF地址。地址的编码规则如下图：
可以看出，这是一个七位二进制数，前四位是fixed number，后三位分别对应PCF的三个引脚——A0, A1, A2。每一个引脚的值都可以是0或1，一共2^3=8种排列方式，也即一共8个可使用的地址。所以一个“MASTER”最多能同时控制8个“SLAVER”。对于PCF8591来说，其default address为0x48（十六进制数），转换为二进制数是1001000，所以可以知道他的A0、A1、A2三个引脚值均为0。
需要再提前强调一点，Python代码中所有0x十六进制数，只有0x48代表Address，也只有PCF拥有Address，其余所有十六进制数都不代表Address。（这是一个天坑）
三、I2C协议与SDA SCL
“MASTER”与“SLAVERS”之间需要有沟通交流，给“SLAVER”分配工作或是让“SLAVER”汇报工作，并告知“SLAVER”如何做。所以他们之间有一个特定的沟通方式，这个沟通方式就叫I^2 C通信协议（Inter-Integrated Circuit）。I^2 C总线需要两根线来实现连接于总线上的器件之间的信息传输，一根是SDA（Serial Data）串行数据线，另一根是SCL（Serial Clock）串行时钟线。
下图是AD convert的I2C数据传输流程。
是不是很令人迷惑？没关系，形象化的解释来了。之前有说过，I2C就是一种沟通方式，所以这个数据传输流程，就可以理解为在I2C这种特定沟通方式下的一次沟通。讲的更通俗一点，就是一次聊天对话。如何理解？
聊天的第一步，是拿出手机打开微信。（对应START condition，当SDA和SCL两条线的电平同时满足某一特定条件时，传输开始。）
打开微信后需要找一个联系人才能聊天，我们之前说“MASTER”有很多“SLAVERS”，这一步便是“MASTER”选择与某一个“SLAVER”对话。（对应ADDRESS。）
第三步，“MASTER”确定这次对话的目的的给“SLAVER”分配活儿干，还是让“SLAVER”干完活后汇报。（对应R/W，R means read，W means write，控制这次数据传输的目的是树莓派写入一个值到PCF中，还是树莓派从PCF中读取一个值。）
可以看到有很多ACK。ACK means Acknowledge character，即确认字符，意思是数据接收者告诉数据传输者，“已收到”。
之后便是数据传输，每传输一个byte的数据，都会反馈一个ACK确认数据收到。
四、Python代码控制读取/写入值
import smbus
import time
if __name__ == "__main__":
bus=smbus.SMBus(1)
bus.write_byte(0x48,0x42)
bus.read_byte(0x48)
while True:
num= bus.read_byte(0x48)
print(num)
bus.write_byte_data(0x48,0x42,160)
time.sleep(0.01)
其实代码非常简单。之前参考文献给出的代码令人迷惑的原因主要是自定义了很多方法。现在用最简单的办法写出来，用到的核心方法只有三个：
bus.read_byte(ADDRESS)
bus.write_byte(ADDRESS, CONTROL_byte)
bus.write_byte_data(ADDRESS, CONTROL_byte, value)
顾名思义，read_byte就是从PCF中读取一个byte的数据, write_byte就是向PCF中写入一个byte的数据，write_byte_data就是像PCF中写入data。
有人就会问了，write_byte和write_byte_data有什么区别？
还记得在PART1中强调的点吗？每次数据传输一定是由“MASTER”主动开启的，所以write_byte的目的是明确“MASTER”与哪个“SLAVER”对话，建立联系，并以一个“CONTROL byte”告知“SLAVER”如何工作，并不传输value。这也是为什么代码中的第一步是bus.read_byte(0x48)
树莓派主动开启对话，与0x48地址对应的PCF8591建立联系，并通过一个CONTROL byte明确工作模式（Analog Input Mode）。
第二个问题来了，CONTROL byte是什么？那不是个地址吗？
这时候应该要想起PART2强调的内容（只有0x48是地址）。write_byte方法的第二个传参是一个CONTROL byte。
这是官方文档对于CONTROL byte的解释。8位二进制码，其中第一位和第五位都是fixed number—0，可被编写的部分是第二位——代表是否开启AOUT输出口，0表示不开启，1表示开启，只有该位是1的时候，DA才会工作，数字信号被转为模拟信号从AOUT端口输出；第三四位——代表四种不同的analog input mode，用以明确AIN端口与channel之间的数据关系。
在第一幅图中有一个大大的问号，analog input mode便是明确这个问号。有两种对应关系：一种是single-ended，即一对一。例如在00模式下，从channel0中读到的数据就是AIN0口输入的模拟量经过AD转换后的数字值，00模式的四个AIN端口都是分别一一对应于一个channel；在10模式下，AIN0和AIN1是一一对应channel0和channel1。另外一种对应关系是differential，即差分。例如在01模式下，channel0的值是AIN0与AIN3的差值；在10模式下，channel2的值是AIN2与AIN3的差值。
CONTROL byte的第七八位是AD channel number，用来控制从哪个channel读取数据。第六位是auto-increment，值为1时，每次读取数据都会自动切换channel，第一次读channel0的数据，下一次读到的就是channel1的数据，以此类推。
在Python代码中，CONTROL byte是一个十六进制数，转换为二进制后就是八位二进制。控制方法为：确定CONTROL byte中可编码位上你想要的取值，得到一个八位二进制数，转为十六进制数，输入Python方法。
讲到这里后就几乎结束了大部分的内容。继续代码示例，read_byte，读值过程不需要CONTROL byte，所以传参只有ADDRESS。
可以看到，在真正读取想要的num之前，还有一次空读。这是因为PCF8591在接到读取命令后，同时进行上一次的转换数据的传输及本次的数据转换，所以第一次空读的数据是一个不确定的数，第一次的空读只是为了启动下一次正常的读取。
bus.write_byte_data(0x48,0x42,160)
write_byte_data这个方法再多解释一下，写入的值会直接作为一个digital value，经过转换后以电压形式的模拟量从AOUT口输出。我们使用的PCF8591是一个8bits的AD/DA转换器，8bits的意思是AD/DA共有 2^8=256个刻度，所以传输的digital值范围是0-255。举个例子，你希望从AOUT口输出一个3.13V的电压给LED灯，应该写入的值为3.13v/5v*255=160（这里ADC接5v的基准电压），但是实际上用电压表测得此时LED灯两端电压为2.64v，与理想值有一定误差。
五、Something More
我几乎尝试了所有的analog input mode，将麦克风接入不同的AIN口，选择不同的channel，用示波器/电压表+python画出的图进行了很多很多实验，在差分模式下还是有很多难以解释的试验现象，但是基本可以肯定整个原理是没有错的。
补充一点，single-ended模式下，AD转换的模拟量就是该AIN口与GND的电压；differential模式下，AD转换的模拟量则是两个AIN口之间的电压差，所以如果只使用一个AIN口且还想要用差分模式，那么另一个AIN口要记着接地。
六、Learning Experience
本次超过30个小时的学习过程得到的经验：
①永远不要认为你之前的理解都是对的。发现整个理解过程出现错误，有时 候有必要推倒重建。
②网上资料参差不齐，错误百出，绝对不能盲目相信。
③实验要清楚记录条件及现象，不然会因为没记清现象/条件而做很多次重复实验。
④在学习一个全新的知识系统的过程中会有很多信息涌入，往往在查找资料解决问题1的时候会发现问题2，然后注意力转移到问题2上，之后又会发现新的问题，进入一个死循环。所以需要适时停止，思考一下你是谁，你在哪儿，你要干什么。
⑤把问题记录下来，然后接着探索。很有可能在第二天的时候你回看第一天的问题，会发出感叹：我怎么会问这么愚蠢的问题。
⑥队友很重要。讨论/止损/提问/复盘/总结。
