概述
通过前面课程的学习，我们知道raspberry Pi可以做很多事情，能处理各种数字传感器，但是美中不足的是Raspberry Pi不能直接处理模拟信号，因为Pi没有ADC(analog to digital converters )，这样会限制输出模拟信号的传感器无法在Pi上使用，那如何解决这个问题呢？本课我们将一起探索如何用Pi读取模拟信号。
所需物料
1 * Raspberry Pi
1 * Breadboard
1 * MCP3008
Several jumper wires
工作原理
其实要解决上面的问题并不难，只需要在Pi上扩展一个模数转换器（ADC）就可以了，模数转化器有很多类型。在本课中我们使用Micochip公司的MCP3008，如果你对输出通道数量没有要求，MCP3004也是可以的。MCP3008一个10位8通道的ADC，MCP3004是10位4通道ADC，除了通道数量不一样，其他特性都相同，都是SPI(Serial Peripheral Interface Bus)接口，关于SPI总线更多信息请看这里，工作电压为2.7-5.5 VDC，关于MCP3004/8更多特性请参考芯片数据手册：https://osoyoo.com/driver/MCP3008_datasheet.pdf
MCP3008
MCP3008可以将模拟信号转换成数字信号，这样Pi就能够间接处理模拟信号了，在本课中，用pi的3.3V和GND分别作为MCP3008的模拟通道1和通道2的输入，MCP3008将这个模拟输入信号转换成数字量，Pi通过SPI读取这个数字量，通过计算将其实际电压值输出
MCP3008是SPI接口，所以将其与Raspberry Pi的硬件SPI相应GPIO口连接在一起。图中的NC（Not Connected）表示悬空，啥也不接。
实物连线图
软件
对于C语言用户，请看下面
1 ) MCP3008需要SPI时序来驱动，我们用的是Raspberry Pi的硬件SPI，但是对于有些Raspbian镜像在内核中默认没有加载有些模块，如SPI、IIC等，所以在进行编程之前需要检查你的Raspbian是否已经加载了SPI，如果没有需要手动加载，具体方法前看看面。
用编辑器打开‘/etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf’
sudo nano ‘/etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf’
如果打开什么东西也没有，说明你的Raspbian已经加载了相关模块，请跳过此步；如果看到这样的内容
#blacklist spi-bcm2708
#blacklist i2c-bcm2708
说明你的Raspbian没有加载SPI、IIC设备，你需要将这两句话前面的#去掉
打开SPI接口
sudo nano /boot/config.txt
打开config.txt文件后，找到dtparam=spi=on(或者dtparam=spi=off)，将其改成图示样子
按键盘上的Ctrl +X根据提示输入Y保存退出，让后在命令行输入reboot是修改生效。
2) 在/home/pi目录下新建一个.c源文件，名字随意（你开心就好）
cd ~
sudo nano readmcp300x.c
2) 编码
向新建的文件中输入一下代码
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <wiringPi.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <wiringPiSPI.h>
#define TRUE (1==1)
#define FALSE (!TRUE)
#define CHAN_CONFIG_SINGLE 8
#define CHAN_CONFIG_DIFF 0
static int myFd ;
char *usage = "Usage: mcp3008 all|analogChannel[1-8] [-l] [-ce1] [-d]";
// -l = load SPI driver, default: do not load
// -ce1 = spi analogChannel 1, default: 0
// -d = differential analogChannel input, default: single ended
void loadSpiDriver()
{
if (system("gpio load spi") == -1)
{
fprintf (stderr, "Can't load the SPI driver: %s\n", strerror (errno)) ;
exit (EXIT_FAILURE) ;
}
}
void spiSetup (int spiChannel)
{
if ((myFd = wiringPiSPISetup (spiChannel, 10000)) < 0)
{
fprintf (stderr, "Can't open the SPI bus: %s\n", strerror (errno)) ;
exit (EXIT_FAILURE) ;
}
}
int myAnalogRead(int spiChannel,int channelConfig,int analogChannel)
{
if(analogChannel<0 || analogChannel>7)
return -1;
unsigned char buffer[3] = {1}; // start bit
buffer[1] = (channelConfig+analogChannel) << 4;
wiringPiSPIDataRW(spiChannel, buffer, 3);
return ( (buffer[1] & 3 ) << 8 ) + buffer[2]; // get last 10 bits
}
void print_info()
{
printf("\n");
printf("|*****************************************|\n");
printf("| Read MCP3008(3004) ADC value |\n");
printf("| ------------------------------ |\n");
printf("| | ADC | | Pi | |\n");
printf("| |-----|-----------|-----| |\n");
printf("| | CS | connect to| CE0 | |\n");
printf("| | Din | connect to| MOSI| |\n");
printf("| | Dout| connect to| MISO| |\n");
printf("| | CLK | connect to| SCLK| |\n");
printf("| | CH0 | connect to| 3.3V| |\n");
printf("| | CH1 | connect to| GND | |\n");
printf("| OSOYOO|\n");
printf("|*****************************************|\n");
printf("\n");
}
int main (int argc, char *argv [])
{
int loadSpi=FALSE;
int analogChannel=0;
int spiChannel=0;
int channelConfig=CHAN_CONFIG_SINGLE;
if (argc < 2)
{
fprintf (stderr, "%s\n", usage) ;
return 1 ;
}
if((strcasecmp (argv [1], "all") == 0) )
argv[1] = "0";
if ( (sscanf (argv[1], "%i", &analogChannel)!=1) || analogChannel < 0 || analogChannel > 8 )
{
printf ("%s\n", usage) ;
return 1 ;
}
int i;
for(i=2; i<argc; i++)
{
if (strcasecmp (argv [i], "-l") == 0 || strcasecmp (argv [i], "-load") == 0)
loadSpi=TRUE;
else if (strcasecmp (argv [i], "-ce1") == 0)
spiChannel=1;
else if (strcasecmp (argv [i], "-d") == 0 || strcasecmp (argv [i], "-diff") == 0)
channelConfig=CHAN_CONFIG_DIFF;
}
//
if(loadSpi==TRUE)
loadSpiDriver();
wiringPiSetup () ;
spiSetup(spiChannel);
print_info();
//
if(analogChannel>0)
{
printf("MCP3008(CE%d,%s): analogChannel %d = %d\n",spiChannel,(channelConfig==CHAN_CONFIG_SINGLE)
?"single-ended":"differential",analogChannel,myAnalogRead(spiChannel,channelConfig,analogChannel-1));
}
else
{
for(i=0; i<8; i++)
{
printf("MCP3008(CE%d,%s): analogChannel %d = %d\n",spiChannel,(channelConfig==CHAN_CONFIG_SINGLE)
?"single-ended":"differential",i+1,myAnalogRead(spiChannel,channelConfig,i));
}
}
close (myFd) ;
return 0;
}
按键盘上的Ctrl +X根据提示输入Y保存退出。
完整的程序源码，可以在命令行运行一下命令获取
sudo wget http://osoyoo.com/driver/pi3_start_learning_kit_lesson_10/readmcp3008.c
在程序开头先包含了程序运行需要的头文件，其中有两个是驱动MCP3008必须的头文件，一个是wiringPi，一个是wiringPiSPI。对于前者在之前的课程中都有用到，就不在赘述；后者是针对树莓派板载SPI开发的一个函数库，利用这个库可以更加容易使用Raspberry Pi板载SPI功能，关于wiringPiSPI更多信息请看这里
SPI Library
#define CHAN_CONFIG_SINGLE 8
#define CHAN_CONFIG_DIFF 0
因为MCP3008支持单端信号输入和(single-ended mode)和差分输入(differential input mode)，本课中我采用单端输入模式，CHAN_CONFIG_SINGLE变量表示相应输入端(CHx)配置为单端输出模式（8表示通道0为单端输入模式），CHAN_CONFIG_DIFF表示相应输入端(CHx)配置为差分输入模式（0意思是说通道0为差分输入模式），依据数据手册可以计算每个通道在不同输入模式下的值
static int myFd ;
定义了一个文件描述符( file-descriptor)，用于接收wiringPiSPISetup函数的返回值
char *usage = "Usage: mcp3008 all|analogChannel[1-8] [-l] [-ce1] [-d]";
// -l = load SPI driver, default: do not load
// -ce1 = spi analogChannel 1, default: 0
// -d = differential analogChannel input, default: single ended
usage指针里面存放了这个程序的用法，如果在运行程序时候输入参数出错，屏幕会打印出usage变量，提示用户正确输入
void spiSetup (int spiChannel)
{
if ((myFd = wiringPiSPISetup (spiChannel, 10000)) < 0)
{
fprintf (stderr, "Can't open the SPI bus: %s\n", strerror (errno)) ;
exit (EXIT_FAILURE) ;
}
}
这是一个自定义函数，在这个函数里面调用了wiringPiSPI库里面的wiringPiSPISetup函数，初始化spiChannel号SPI，并SPI通信速率设置成了10KHz，其中spiChannel表示Raspberry Pi第几个SPI，Raspberry Pi一共有2个硬件SPI，它们共用SCLK、MOSI、MISO三条线，通过CE0和CE1区分SPI0和SPI1，在本课中我们将MCP3008的片选脚(Chip Select/Shutdown Input)接到Pi的CE0上，即我们使用的是Pi的SPI0.如果wiringPiSPISetup返回值小于0，说明SPI初始化出错，并在屏幕上打印出错信息。
int myAnalogRead(int spiChannel,int channelConfig,int analogChannel)
{
if(analogChannel<0 || analogChannel>7)
return -1;
unsigned char buffer[3] = {1}; // start bit
buffer[1] = (channelConfig+analogChannel) << 4;
wiringPiSPIDataRW(spiChannel, buffer, 3);
return ( (buffer[1] & 3 ) << 8 ) + buffer[2]; // get last 10 bits
}
这个函数用于读取MCP3008数据，因为MCP3008只有8个输入端，如果参数analogChannel不在0-7范围内，返回-1；结合MCP3008数据手册知道第一个子节和第二个子节的高6位是无效的，有效数据为是第二个子节的低2位和第三个子节，一共10位。
3) 编译
gcc -Wall -o readmcp3008 readmcp3008 .c -iwiringPi
4) 执行程序
a)在运行程序之前请用gpio readall的命令检查MOSI、MISO、SCLK(B10、B9、B11)这几个口是否工作于ALT0模式(alternative functions)，如果这几个口处于ALT0模式，则可以跳到b；如若不是请用下面的shell命令将他们变成ALT0模式
gpio -g mode 9 alt0
gpio -g mode 10 alt0
gpio -g mode 11 alt0
如果你想查看8个通道的值，运行下面的命令：
./readmcp3008 all
如果你只想查看指定通道的值，例如通道1，运行下面的命令
./readmcp3008 1
5) 最终结果
正确输入参数，运行上面的程序，屏幕上会打印出MCP3008主要引脚与Pi的连接关系，也会打印出你想查看的通道的结果。因为我们将CH1接到3.3V，CH2接到0V，所以转换后，输出通道1的值是1024，输出通道2是0
对于Python用户
1) 在/home/pi下新建一个.py脚本文件，文件名随意（你爱咋咋地）
cd ~
sudo nano readmcp3008.py
2) 编码
import time
import os
import RPi.GPIO as GPIO
# change these as desired - they're the pins connected from the
# SPI port on the ADC to the Cobbler
SPICLK = 11
SPIMISO = 9
SPIMOSI = 10
SPICS = 8
#DEBUG = 1
#setup function for some setup---custom function
def setup():
GPIO.setwarnings(False)
#set the gpio modes to BCM numbering
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# set up the SPI interface pins
GPIO.setup(SPIMOSI, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPIMISO, GPIO.IN)
GPIO.setup(SPICLK, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SPICS, GPIO.OUT)
#print message at the begining ---custom function
def print_message():
print ('|**********************************|')
print ('| Read MCP3008(3004) ADC value |')
print ('| ----------------------------- |')
print ('| | ADC | | Pi | |')
print ('| |-----|-----------|-----| |')
print ('| | CS | connect to| CE0 | |')
print ('| | Din | connect to| MOSI| |')
print ('| | Dout| connect to| MISO| |')
print ('| | CLK | connect to| SCLK| |')
print ('| | CH0 | connect to| 3.3V| |')
print ('| | CH1 | connect to| GND | |')
print ('| ----------------------------- |')
print ('| OSOYOO|')
print ('|**********************************|\n')
print ('Program is running...')
print ('Please press Ctrl+C to end the program...')
print ('please input 0 to 7...')
# read SPI data from MCP3008 chip, 8 possible adc's (0 thru 7)
def readadc(adcnum, clockpin, mosipin, misopin, cspin):
if ((adcnum > 7) or (adcnum < 0)):
return -1
GPIO.output(cspin, True)
GPIO.output(clockpin, False) # start clock low
GPIO.output(cspin, False) # bring CS low
commandout = adcnum
commandout |= 0x18 # start bit + single-ended bit
commandout <<= 3 # we only need to send 5 bits here
for i in range(5):
if (commandout & 0x80):
GPIO.output(mosipin, True)
else:
GPIO.output(mosipin, False)
commandout <<= 1
GPIO.output(clockpin, True)
GPIO.output(clockpin, False)
adcout = 0
# read in one empty bit, one null bit and 10 ADC bits
for i in range(12):
GPIO.output(clockpin, True)
GPIO.output(clockpin, False)
adcout <<= 1
if (GPIO.input(misopin)):
adcout |= 0x1
GPIO.output(cspin, True)
adcout >>= 1 # first bit is 'null' so drop it
return adcout
#main function
def main():
#print info
print_message()
analogChannel = int(input())
if (analogChannel < 0) or (analogChannel > 7):
print ('input error analogChannel number!')
print ('please input 0 to 7...')
else:
adc = readadc(analogChannel, SPICLK, SPIMOSI, SPIMISO, SPICS)
print ('analogChannel %d = %d'%(analogChannel,adc))
#define a destroy function for clean up everything after the script finished
def destroy():
#release resource
GPIO.cleanup()
#
# if run this script directly ,do:
if __name__ == '__main__':
setup()
try:
main()
#when 'Ctrl+C' is pressed,child program destroy() will be executed.
except KeyboardInterrupt:
destroy()
按键盘上的Ctrl +X根据提示输入Y保存退出。
完整的程序源码，可以在命令行运行一下命令获取
sudo wget http://osoyoo.com/driver/pi3_start_learning_kit_lesson_10/readmcp3008.py
3) 运行程序
sudo python ./readmcp3008.py
然后输入你想读取的输出通道，例如0，就在SHH终端输入0再回车，就能打印出输出通道0的数据。
4) 最终结果
在SSH终端输入sudo python ./readmcp3008.py后屏幕会打印出MCP3008与Pi的连接信息以及输入参数范围（0-7），如果输入的参数不在正确范围，程序会输入错误提示；如果输入的参数在0-7范围内，那就打印出对应端口的数据。
