Matrix - Analog to Digital Converter

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1 Introduction

Analog to Digital Converter
  • The Matrix-Analog_to_Digital_Converter is a single-chip, single-supply low-power 8-bit CMOS data acquisition device.
  • It utilizes the PCF8591 chip with four analog inputs, one analog output and a serial I2C-bus interface. Three address pins A0, A1 and A2 are used for programming the hardware address, allowing

the use of up to eight devices connected to the I2C-bus without additional hardware. Address, control and data to and from the device are transferred serially via the two-line bidirectional I2C-bus. The maximum conversion rate is given by the maximum speed of the I2C-bus.

  • The I2C hardware address is configured to 1001000x
  • The operating supply voltage is from 2.5V to 6.0V，Among the 2.54 mm spacing pin header the 5V pin is the supply voltage. If you need 0 - 3.3V analog signals and keep the acquisition resolution you can connect it to a 3.3V supply voltage.

2 特性

  • 宽电源电压输入，2.5V-6.0V
  • I2C接口，3.3V/5V
  • 8-bit A/D x4
  • 8-bit D/A x1
  • 体积小巧， 带固定孔，方便嵌入到外壳
  • 2.54mm排针接口，接线方便，通用性强
  • PCB尺寸（mm）：16x24

模数PCB

  • 引脚说明:
名称 描述
SDA I2C SDA
SCL I2C SCL
5V 电源5V
GND 地
AOUT 模拟输出通道
A3 模拟输入通道3
A2 模拟输入通道2
A1 模拟输入通道1
A0 模拟输入通道0

3 工作原理

芯片PCF8591是用i2c总线进行串行输入/输出，因此模块上的SDA、SCL两个引脚可以接到开发板的I2C的SDA、SCL两个引脚上。模块上还有AINT0-AINT4引脚为外部模拟输入可编程为单端或差分输入，要注意外接的模拟电压输入范围在0—VDD。
1、PCF8591在I2C总线系统通过激活来发送一个有效的地址到设备中，可编程地址必须根据地址引脚A0、A1、A2来设置。I2C协议中信息发送开始后发送的第一个字节是地址信息，地址字节的最后一位是用于设置以后数据传输方向的读/写位。
2、发送到PCF8591 的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制器件功能。控制寄存器的高半字节用于允许模拟输出，和将模拟输入编程为单端或差分输入。低半字节选择一个由高半字节定义的模拟输入通道。
3、在A/D 转换周期将临时使用片上D/A 转换器和高增益比较器。一个A/D 转换周期总是开始于发送一个有效读模式地址给PCF8591 之后。A/D 转换周期在应答时钟脉冲的后沿被触发，并在传输前一次转换结果时执行A/D转换器采用。

4 下载Matrix源码

Matrix配件相关的代码是完全开源的，统一由一个仓库进行管理：git://github.com/friendlyarm/matrix.git
该仓库里不同的分支代表着Matrix配件所支持的不同开发板。

  • nanopi分支包含了Matrix对NanoPi的支持；
  • tiny4412分支包含了Matrix对Tiny4412的支持；
  • raspberrypi分支包含了Matrix对RaspberryPi的支持；

在主机PC上安装git，以Ubuntu14.04为例 

$ sudo apt-get install git

克隆Matrix配件代码仓库 

$ git clone git://github.com/friendlyarm/matrix.git

克隆完成后会得到一个matrix目录，里面存放着所有Matrix配件的代码。

5 与NanoPi连接使用

5.1 准备工作

在NanoPi上运行Debian系统，然后在主机PC上安装并使用相应的编译器。参考wiki：NanoPi
注意：必须使用nanopi-v4.1.y-matrix分支编译出来的内核。
下载NanoPi内核源代码并编译 

$ git clone https://github.com/friendlyarm/linux-4.x.y.git
$ cd linux-4.x.y
$ git checkout nanopi-v4.1.y-matrix
$ make nanopi_defconfig
$ touch .scmversion
$ make

5.2 硬件连接

参考下图连接模块Matrix-Analog_to_Digital_Converter和NanoPi
matrix-analog_to_digital_converter_nanopi

连接说明：

Matrix-Analog_to_Digital_Converter NanoPi
SDA Pin3
SCL Pin5
5V Pin4
GND Pin6

5.3 编译测试程序

进入Matrix代码仓库，切换到nanopi分支 

$ cd matrix
$ git checkout nanopi

编译Matrix配件代码 

$ make CROSS_COMPILE=arm-linux- clean
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux- install

注意：请确保你的主机PC当前使用的交叉编译器为NanoPi-Debian配套的arm-linux-gcc-4.4.3。
编译出来的库文件位于install/lib目录下，而测试程序则位于install/usr/bin目录下，模块Matrix-Analog_to_Digital_Converter对应的测试程序为matrix-analog_to_digital_converter。

5.4 运行测试程序

拷贝库文件和测试程序到NanoPi的文件系统上 

$ cp install/usr/bin/* nanopi_rootfs/usr/bin/
$ cp install/lib/* nanopi_rootfs/lib/ -d

然后启动NanoPi，在Debian的shell终端中执行如下命令运行模块Matrix-Analog_to_Digital_Converter的测试程序
注意：此模块并不支持热插拔，启动系统前需要确保硬件正常连接。 

$ matrix-analog_to_digital_converter

5.5 代码展示

int main(int argc, char ** argv)
{
    int devFD;
    int data, channel, mode;
 
    if ((devFD = pcf8591Init()) == -1) {
        printf("Fail to init pcf8591\n");
        return -1;
    }
 
    if (pcf8591SetCtrl(devFD, PCF8591_INIT_AD_CONTROL) == -1) {
        printf("Fail to Set pcf8591 control AD\n");
        pcf8591DeInit(devFD);
        return -1;
    }
 
    mode = 0;
    printf("pcf8591 working as AD in mode%d\n",mode);
    for (channel = PCF8591_AIN_CHANNEL0; channel <= PCF8591_AIN_CHANNEL3; channel++) {
        data = pcf8591Read(devFD, mode, channel);
        printf("Channel%d's value: %d\n",channel,data);
    }
 
    pcf8591DeInit(devFD);
    return 0;
}

6 与Tiny4412连接使用

6.1 准备工作

参考Tiny4412光盘里的《友善之臂Ubuntu使用手册》，在Tiny4412上运行UbuntuCore系统，然后在主机PC上安装并使用相应的编译器。
注意：只能使用Tiny4412SDK-1506的底板。

6.2 硬件连接

参考下图连接模块Matrix-Analog_to_Digital_Converter和Tiny4412
matrix-analog_to_digital_converter_tiny4412

连接说明：

Matrix-Analog_to_Digital_Converter NanoPi
SDA CON18 SDA
SCL CON18 SCL
5V CON18 5V
GND CON18 GND

6.3 编译测试程序

进入Matrix代码仓库，切换到tiny4412分支 

$ cd matrix
$ git checkout tiny4412

编译Matrix配件代码 

$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- clean
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
$ make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- install

注意：请确保你的主机PC当前使用的交叉编译器为Tiny4412-UbuntuCore配套的arm-linux-gnueabihf-gcc-4.7.3。
编译出来的库文件位于install/lib目录下，而测试程序则位于install/usr/bin目录下，模块Matrix-Analog_to_Digital_Converter对应的测试程序为matrix-analog_to_digital_converter。

6.4 运行测试程序

拷贝库文件和测试程序到Tiny4412的UbuntuCore的文件系统上 

$ cp install/usr/bin/* tiny4412_rootfs/usr/bin/
$ cp install/lib/* tiny4412_rootfs/lib/ -d

然后启动Tiny4412，在UbuntuCore的shell终端中执行如下命令运行模块Matrix-Analog_to_Digital_Converter的测试程序 

$ matrix-analog_to_digital_converter

6.5 代码展示

int main(int argc, char ** argv)
{
    int devFD;
    int data, channel, mode;
 
    if ((devFD = pcf8591Init()) == -1) {
        printf("Fail to init pcf8591\n");
        return -1;
    }
 
    if (pcf8591SetCtrl(devFD, PCF8591_INIT_AD_CONTROL) == -1) {
        printf("Fail to Set pcf8591 control AD\n");
        pcf8591DeInit(devFD);
        return -1;
    }
 
    mode = 0;
    printf("pcf8591 working as AD in mode%d\n",mode);
    for (channel = PCF8591_AIN_CHANNEL0; channel <= PCF8591_AIN_CHANNEL3; channel++) {
        data = pcf8591Read(devFD, mode, channel);
        printf("Channel%d's value: %d\n",channel,data);
    }
 
    pcf8591DeInit(devFD);
    return 0;
}

7 与RaspberryPi连接使用

8 与Arduino连接使用

9 相关资料

PCF8591.pdf


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