具有I2C总线接口的A/D芯片PCF8591及其应用

1 引言

    I2C总线是Philips公司推出的串行总线，整个系统仅靠数据线（SDA）和时钟线（SCL）实现完善的全双工数据传输，即CPU与各个外围器件仅靠这两条线实现信息交换。I2C总线系统与传统的并行总线系统相比具有结构简单、可维护性好、易实现系统扩展、易实现模块化标准化设计、可靠性高等优点。
    在一个完整的单片机系统中，A/D转换芯片往往是必不可少的。PCF8591是一种具有I2C总线接口的A/D转换芯片。在与CPU的信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA就可以实现。

2  芯片介绍

    PCF8591是具有I2C总线接口的8位A/D及D/A转换器。有4路A/D转换输入，1路D/A模拟输出。这就是说，它既可以作A/D转换也可以作D/A转换。A/D转换为逐次比较型。引脚图如图1所示。结构图如图2所示。电源电压典型值为5V。
AIN0～AIN3：模拟信号输入端。
A0～A3：引脚地址端。
VDD、VSS：电源端。
           （2.5～6V）
SDA、SCL：I2C总线的数据线、
              时钟线。
OSC：外部时钟输入端，内部时钟
       输出端。
EXT：内部、外部时钟选择线，使
      用内部时钟时EXT接地。
AGND：模拟信号地。
AOUT：D/A转换输出端。
VREF：基准电源端。

                              图2　 PCF8591

3 应用
    3.1 器件总地址
    PCF8591采用典型的I2C总线接口器件寻址方法，即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。飞利蒲公司规定A/D器件地址为1001。引脚地址为A2A1A0，其值由用户选择，因此I2C系统中最多可接23=8个具有I2C总线接口的A/D器件。地址的最后一位为方向位R/ ，当主控器对A/D器件进行读操作时为1，进行写操作时为0。总线操作时，由器件地址、引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。
    3.2 控制字节
    控制字节用于实现器件的各种功能，如模拟信号由哪几个通道输入等。控制字节存放在控制寄存器中。总线操作时为主控器发送的第二字节。其格式如下所示：
 

其中：D1、D0两位是A/D通道编号：00通道0，01通道1，10通道2，11通道3
        D2  自动增益选择（有效位为1）
        D5、D4模拟量输入选择：00为四路单数入、01为三路差分输入、10为单端与差分配合输入、11为模拟输出允许有效
    当系统为A/D转换时，模拟输出允许为0。模拟量输入选择位取值由输入方式决定：四路单端输入时取00，三路差分输入时取01，单端与差分输入时取10，二路差分输入时取11。最低两位时通道编号位，当对0通道的模拟信号进行A/D转换时取00，当对1通道的模拟信号进行A/D转换时取01，当对2通道的模拟信号进行A/D转换时取10，当对3通道的模拟信号进行A/D转换时取11。
    在进行数据操作时，首先是主控器发出起始信号，然后发出读寻址字节，被控器做出应答后，主控器从被控器读出第一个数据字节，主控器发出应答，主控器从被控器读出第二个数据字节，主控器发出应答…一直到主控器从被控器中读出第n个数据字节，主控器发出非应答信号，最后主控器发出停止信号。
3.3 应用电路
    如图3所示电路是暖水锅炉水温检测和A/D转换电路。AD581作为电流型温度传感器AD590的基准电源。两只AD590分别用来采集上水和回水的温度。

        图3 暖水锅炉水温检测和A/D转换电路
    温度变化时通过AD590的电流发生变化，温度每升高1℃，电流增加1mA。两只远放电路的作用是将电流信号转变为电压信号。图中R6、R7、R8、R9是温度校准电位器，均采用精细电位器。图中R6和R7分别用来校准0℃时两运放的输出电压，即将传感器置于冰水混合液中时，调节R6或R7使运放的输出电压，即将传感器置于冰水混合液中时，调节R6或R7使运放的输出电压为0V。图中R8和R9分别用来校准100℃时两运放的输出电压，即将传感器置于沸水时，调节R8或R9使两运放的输出电压为某一确定值。此值由使用者决定，当然，其值大小要考虑A/D转换器选用的基准电源值。
     A/D转换器PCF8591靠数据线SDL和时钟线SCL与CPU联系。由软件决定水温数据的采集时间和数据的存储以及送去显示。

4 结论

    Philips公司推出的I2C总线系统较通用单片机系统电路简单。由普通CPU芯片同I2C专用器件组成的系统为模拟I2C系统，它性能稳定，价格较低，具有较大的应用前景．

    参考文献：

     1. 何立民．I2C总线应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1997.
2. 何立民．单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，199９．