Raspberry Pi 下 MCP3008 ADC 的 Python 驱动实现

硬件概述

MCP3008 是 8 通道 10 位 ADC 芯片，通过 SPI 接口通信。主要引脚：

• VDD/VREF：3.3V 电源
• AGND：模拟地
• CLK：SPI 时钟
• DOUT：SPI MISO
• DIN：SPI MOSI
• CS/SHDN：片选
• CH0-CH7：模拟输入通道

驱动实现步骤

1. 启用树莓派 SPI 接口

   sudo raspi-config
   # 选择 Interfacing Options > SPI > Enable
   

2. 安装依赖库

   sudo apt-get install python3-dev python3-spidev
   

3. Python 驱动代码

import spidev

class MCP3008:
    def __init__(self, bus=0, device=0):
        self.spi = spidev.SpiDev()
        self.spi.open(bus, device)
        self.spi.max_speed_hz = 1000000  # 1MHz 时钟
        self.spi.mode = 0  # SPI 模式 0
    
    def read_channel(self, channel):
        # 验证通道号
        if channel < 0 or channel > 7:
            raise ValueError("通道号必须在 0-7 之间")
        
        # 构建 SPI 命令 (3字节传输)
        cmd = 0x01  # 起始位
        config = (0x08 | channel) << 4  # 单端模式 + 通道选择
        adc_data = self.spi.xfer2([cmd, config, 0x00])
        
        # 解析 10 位 ADC 值
        return ((adc_data[1] & 0x03) << 8) | adc_data[2]
    
    def read_all_channels(self):
        return [self.read_channel(ch) for ch in range(8)]
    
    def close(self):
        self.spi.close()

# 使用示例
if __name__ == "__main__":
    adc = MCP3008()
    try:
        print("通道 0 值:", adc.read_channel(0))
        print("所有通道值:", adc.read_all_channels())
    finally:
        adc.close()

多通道采样优化

def optimized_read(self, channels):
    """高效读取多个指定通道"""
    results = {}
    for ch in set(channels):  # 去重
        # 使用缓存减少重复读取
        if ch not in self._cache or time.time() - self._cache[ch]['time'] > 0.1:
            self._cache[ch] = {'value': self.read_channel(ch), 'time': time.time()}
        results[ch] = self._cache[ch]['value']
    return results

电压转换公式

ADC 值到电压的转换： $$V_{\text{out}} = \frac{\text{ADC}{\text{value}} \times V{\text{REF}}}{1023}$$

Python 实现：

def adc_to_voltage(adc_value, v_ref=3.3):
    return (adc_value * v_ref) / 1023.0

硬件连接示例

树莓派      MCP3008
-------------------
3.3V  ----- VDD/VREF
GND   ----- AGND
SCLK  ----- CLK
MOSI  ----- DIN
MISO  ----- DOUT
CE0   ----- CS/SHDN

注意事项

1. 确保共用接地（AGND 和树莓派 GND 连接）
2. 输入电压不超过 VREF (通常 3.3V)
3. 采样速率限制：单通道最大 200ksps，多通道共享带宽
4. 噪声抑制：在 VREF 添加 10μF 电容

此实现支持单通道精确读取和多通道高效采样，适用于传感器数据采集和物联网应用场景。