將 ADC 加入您的 Raspberry Pi:您需要了解什麼

要點

Raspberry Pi無法直接處理類比訊號；但是，它可以配備外部類比數位轉換器 (ADC)，將實體電壓值轉換為適合資料儲存、操作和管理的數位格式。

流行的類比數位轉換器 (ADC) 選擇包括在速度和精度之間實現平衡的 MCP3004/MCP3008，以及以較低取樣頻率提供 16 位元解析度的 ADS111x。

Adafruit 提供的 ADS1115 是一款優雅的解決方案，具有可編程增益放大器 (PGA)，能夠檢測微小的電壓差異，同時促進運行期間的動態增益調整。透過 I2C 與 Raspberry Pi 整合不會帶來任何挑戰。

Raspberry Pi 在提供類比輸入方面的最初缺陷使其與 Arduino 等面向微控制器的平台區分開來，與這些替代方案相比，這可能會限制其功能。

雖然這看起來令人畏懼，但還有多種替代方案可供探索。您可以先使用 Raspberry Pi 和外部類比數位轉換器 (ADC) 來實現無縫操作。

為什麼要新增輸入?

在自然界中，存在著許多可以透過利用電勢方便地封裝的事件。透過將這些勢轉換成它們的二元等價物，它們可以被存檔、操縱並用作調節其他因素和激活進一步機制的手段。

人們可能希望觀察地球的潮濕程度、溫室的溫暖程度或囓齒動物的重量。人們可能會尋求在 Raspberry Pi 上整合一個電平調節器，建立一整套滑塊，或從頭開始製作一個操縱桿。潛在的應用廣泛且多樣。

ADC 選項

那麼，哪個ADC最適合新手呢?

最受歡迎和最簡單的選項包括 MCP3004（和 MCP3008 ) Microchip 晶片。您將獲得四個（或八個）通道，每個通道 10 位，讀取速度高達 200 kSPS。另一方面，德州儀器 (TI) 的 ADS111x 裝置可以以 860 SPS 讀取 16 位元。因此，速度和精度（當然還有價格）之間需要權衡。

一些微控制器配備了整合式類比數位轉換器 (ADC)。例如，大多數 Arduino 中廣泛使用的 ATMega 提供多個 10 位元解析度通道以及其他功能。此功能使 Arduino 平台能夠支援超出 Raspberry Pi 功能限制的類比輸入訊號。如果現有的 Arduino 整合到專案中並且 10 位元解析度足以滿足所需的精度，則使用現成的 Arduino 解決方案可能被證明是最簡單的做法。

事實上，為了簡單起見，在本例中我們將使用 Adafruit 提供的 ADS1115。

什麼是可程式增益放大器?

此積體電路具有多種有趣的功能，特別是整合的可編程增益放大器（PGA），它可以對首選幅度頻譜進行數位設定。 PGA 允許將電壓範圍規範低至幾分之一伏，由於 16 位元解析度表示的大量值，因此能夠檢測小至幾微伏特的微小變化。

這種特殊晶片的優點之一是它允許在操作期間調整增益。相較之下，某些其他裝置（例如 MCP3004）採用替代策略，透過合併可施加參考電壓的附加引腳。

多路復用怎麼樣?

多工器（也稱為多工器）用作開關設備，可利用單獨的類比數位轉換器 (ADC) 對來自多個來源的資料進行取樣。在 ADC 積體電路擁有多個輸入端子的情況下，很明顯內部會發生多路復用的固有過程。例如，ADS1115 包含一個多工器元件，能夠容納多達四個不同的輸入訊號，可以透過操縱其固有的暫存器配置來選擇性地選擇這些訊號。

處理暫存器

ADS1115 提供了一系列功能，可以透過操縱多個控制設定輕鬆存取這些功能。其中包括管理多個

每個單獨功能的啟動機制都隱藏在產品包裝的範圍內，表現為稱為「暫存器」的微小資料儲存庫。為了啟用特定功能，只需將適當的暫存器從其預設狀態零更改為值一即可。

查看 ADS111x 資料表，您會發現這些型號帶有四個暫存器，包括管理裝置的配置暫存器€™ 的行為。

在本文中，位元14至12用於控制多工器的操作。透過使用這三個二進制數字，人們可以在八種不同的配置中進行選擇。值得注意的是，這種情況下理想的配置是“100”，因為它決定了輸入通道 0 和接地之間的差分訊號。相反，位 7 至 5 負責調節取樣頻率。為了實現每秒 860 個樣本的最高可能取樣率，將這些位元設為「111」將是理想的。

一旦您確定了要應用的適當設置，您將可以存取可傳輸到類比數位轉換器的總共兩個位元。如果您隨後想要修改各個位，則可以透過單獨使用位元運算來實現。

二進位系統中各個開關狀態的表示可能會造成一些混亂。雖然二進位代碼本身並不直接表示特定的數值，但它可以用來指示每個單獨開關的狀態。此資訊可以用多種格式表示，例如十進位或十六進位符號；然而，為了便於理解並防止潛在的複雜性，通常最好保持使用二進位格式。

連接起來

該設備可以方便地連接到麵包板。其正電壓輸入範圍為 2 至 5.5 伏特，確保與 Raspberry Pi 的 3.3 伏特電源相容。

為了開始操作，將 MCP3008 的 SDA 和 SCL 引腳連接到 Raspberry Pi 上的相應端口，同時連接接地和 3.3V 連接。此外，在接地線和電壓線之間串聯插入一個電位器，然後將電位器中間導體的一端連接到類比數位轉換器 (ADC) 的第一個輸入。完成這些步驟後，您的設定就可以使用了。

處理 I2C

各種類比數位轉換器 (ADC) 利用各種通訊協定進行操作。例如，在 ADS1115 的背景下，我們將採用稱為內部積體電路 (I2C) 的特定介面來進行通訊和資料傳輸。

為了利用 Python 與 Raspberry Pi 上的類比數位轉換器 (ADC) 連接，必須滿足某些先決條件。幸運的是，最近的 Raspberry Pi 作業系統 (OS) 迭代大大簡化了這個過程。若要啟動設定流程，請導覽至系統選單中的“首選項”，然後選擇“Raspberry Pi 設定”。從那裡，進入“介面”選項卡並啟動“I2C”選項。

為了確保所有元件正常運行，請透過開啟終端機視窗並執行以下命令來啟動命令列介面:

 sudo i2cdetect -y 1 

所提供的文字描述了一個場景，其中執行特定命令將在網格上產生輸出，其中包含與類比數位轉換器 (ADC) 位址相關的資訊。作者強調，這個十六進位值必須在前面加上「0x」才能在後續程式碼中使用。在本例中，該值表示為 0x48。

利用所獲得的位址，可以利用 SMBus 庫透過利用兩個不同的流程來傳輸 I2C 命令。這些方法之一涉及 write\_word\_data() 函數的使用，該函數需要三個輸入，即裝置位址、要寫入的特定暫存器以及將記錄在所述位置中的所需資料值。

函數 read_word_data() 將裝置位址和暫存器作為輸入，並使類比數位轉換器 (ADC) 連續取樣並將電壓值儲存在指定的暫存器中。這允許隨後從暫存器中檢索儲存的資料。

人們可以選擇增強輸出的視覺呈現並隨後顯示它。在重新進入迭代循環之前，可以實施短暫的暫停或延遲。這種方法有助於防止資訊過載。

 from smbus import SMBus
import time
addr = 0x48
bus = SMBus(1)

# set the registers for reading
CONFIGREG = 1
CONVERSIONREG = 0

# set the address register to point to the config register
# write to the config registers
bus.write_word_data(addr, CONFIGREG, (0b00000100 << 8 | 0b10000010))

 # define the top of the range
TOP = 26300

while True:
    # read the register
    b = bus.read_word_data(addr, CONVERSIONREG)

    # swap the two bytes
    b = ((b & 0xFF) << 8) | ((b >> 8) & 0xFF)
    
    # subtract half the range to set ground to zero
    b -= 0x8000

    # divide the result by the range to give us a value between zero and one
    b /= TOP

    # cap at one
    b = min(b, 1)

    # bottom is zero
    b = max(b, 0)

    # two decimal places
    b = round(b, 2)
    print(b)
    time.sleep(.01)

將變數的資料類型轉換為符合首選格式後，必須將結果值對應到原始比例中對應的對應值。這允許在兩組值之間進行有意義的比較。之後，您可以透過設定適當的小數位數來選擇丟棄任何多餘的數字。若要僅顯示更新的結果，請修改列印功能以僅在新值與先前顯示的值不同時顯示新值。有關 max、min 和 round 的更多信息，請參閱我們對 20 個最重要的 Python 函數的彙編。

處理噪音

在環境缺乏高度組織性和有序性的情況下，所收集的資料中可能明顯存在某些不必要的元素。這種現象可歸因於以下事實:使用較小範圍的值（例如 16 位元解析度而不是 10 位元）會導致遇到這些幹擾或「雜訊」的可能性增加。

將輸入一接地並設定設備以比較輸入一和輸入二時，可以實現更高的讀數穩定性。此外，可以使用具有電容增強功能的較短跨接電纜來取代較長、雜訊較大的版本。此外，調整電位器的電阻水平也會影響性能。

或者，可以利用軟體解決方案來管理數據波動。一種可能的方法包括計算移動平均值或完全忽略微小的變化。然而，這種做法會增加計算負擔。當使用 Python 等高階程式語言並每秒處理大量樣本時，這些費用會加速累積。

進一步採取許多可能的後續步驟

利用 I2C 進行讀取是一個相對簡單的過程，與 SPI 等替代方法的情況類似。儘管各種 ADC 替代方案之間存在明顯差異，但現實情況是，一旦成功實施其中任何一種方案，所獲得的專業知識就可以輕鬆應用於其他方案。

為什麼不進一步拓展新建的電位器控制器的界線呢?透過串聯多個電位器或嘗試測量光、聲音或溫度等變量，人們可以探索與 Raspberry Pi 系統互動的新可能性。透過擴展目前專案的功能並透過實作實驗創造完全互動的體驗，踏上令人興奮的旅程。