可編程數字電位器在atmega16單片機中的應用

1 引言

　　AVR嵌入式單片機具有豐富的硬件、軟件資源，其中的串行I2C接口能滿(mǎn)足很多應用場(chǎng)合的要求，兩個(gè)AVR單片機通過(guò)I2C總線(xiàn)直接連接就可實(shí)現單片機相互通信；AVR單片機還可以和任何具有I2C總線(xiàn)接口的外設直接連接而無(wú)須其它硬件電路支持。而X9221系列可編程數字電位器在智能測試設備上應用非常廣泛，通過(guò)I2C總線(xiàn)可以簡(jiǎn)單地構成單片機與各種外設之間乃至與計算機之間的通信，建立友好的人機界面聯(lián)系。硬件設計簡(jiǎn)單、靈活，只需要將所有設備的SDA和SCL信號線(xiàn)分別并聯(lián)在一起并加上拉電阻即可，有助于提高設備的自動(dòng)化水平、可靠性、穩定性及電氣裝配的工藝性。AVR單片機和X9221系列可編程數字電位器都有內置的E2ROM單元，可以非常方便地為用戶(hù)保留一些工藝參數；X9221系列電位器0～63級的變化可以將電位器調節到手動(dòng)無(wú)法實(shí)現的平滑級別，調節過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生噪聲且壽命長(cháng)、不受機械振動(dòng)污染潮濕影響等。

2 X9221系列數字電位器介紹

2.1電氣特性及硬件結構原理

　　X9221系列電位器共有15種規格型號，有雙列直插DIP20和表面貼裝SOIC20兩種封裝。電源電壓民品級、工業(yè)級為4.5～5.5V，軍品級為2.7～5.5V；一組封裝芯片內有兩個(gè)數字電位器，參見(jiàn)圖1，X9221系列電位器封裝及引腳功能。內置的E2ROM單元，可以在掉電時(shí)將數據很好地保存，上電時(shí)自動(dòng)加載到自己的RAM單元，電位器接口是標準的I2C總線(xiàn)，其中的數據寄存器可通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)操作；電位器滑動(dòng)端(VW0／RW0，VW1／RW1)相當于普通電位器中間抽頭，是無(wú)摩擦"觸點(diǎn)"。

X9221系列電位器總電阻配置有3種阻值2 kΩ、10kΩ、50kΩ，用戶(hù)可根據自己的設計需求來(lái)選型。每一個(gè)芯片有A0～A3四位二進(jìn)制編程的器件地址以區分I2C總線(xiàn)上接入的不同外設，因此，一條總線(xiàn)上最多可接入16個(gè)X9221器件。器件內部有兩組類(lèi)型的寄存器"DATA"和"WCR"，他們的訪(fǎng)問(wèn)則由串行數據線(xiàn)上的命令字來(lái)確定。電阻陣列通過(guò)內部編碼可以有64種狀態(tài)，0～63種狀態(tài)的連續變化，相當于電位器中心抽頭從普通電位器的一端滑動(dòng)到另一端；所有的寄存器都可以通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行雙向操作，即可讀可寫(xiě)。

　　"在線(xiàn)"實(shí)時(shí)的調節電位器"中間抽頭位置"可以有3種方法：通過(guò)I2C總線(xiàn)向WCR寄存器寫(xiě)數據(串行加載)、通過(guò)對相應的DATA類(lèi)寄存器直接寫(xiě)數據(并行加載)、以及增量減量命令(下面會(huì )討論到)直接寫(xiě)數據；概念上電位器"中間抽頭位置"可以由"WCR"寄存器來(lái)替代，其另一類(lèi)寄存器可以由"DATA"寄存器來(lái)替代。

2.2數字電位器I2C總線(xiàn)時(shí)序及指令

2.2.1一般I2C總線(xiàn)通信時(shí)序

　　X9221系列數字電位器其接口是按標準的I2C總線(xiàn)設計的，因此，硬件連接非常簡(jiǎn)單，只需把串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL、串行數據線(xiàn)SDA與之對應相連即可。其通信完全符合I2C總線(xiàn)協(xié)議要求，串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL、串行數據線(xiàn)SDA按照規定的協(xié)議產(chǎn)生一序列脈沖串，進(jìn)而完成傳輸一組數據的任務(wù)。參見(jiàn)圖2 I2C總線(xiàn)通信時(shí)序。

X9221系列數字電位器完全以從機的身份出現在I2C總線(xiàn)上，它不可以主機的身份出現在I2C總線(xiàn)上，也就是說(shuō)對其寄存器的讀寫(xiě)操作都受控于主機，這一點(diǎn)一定要在硬件和軟件設計上留意。當主機發(fā)出"START"信號后，從機(X9221A)芯片即將拉高SDA線(xiàn)，表明放棄數據線(xiàn)權限由主機控制，主機發(fā)送一個(gè)字節后再由從機(X9221A)芯片自動(dòng)拉低SDA線(xiàn)，表明數據收到，如果此時(shí)從機將SDA線(xiàn)拉不低，表明從機沒(méi)有正常接受數據，主機必須啟動(dòng)下一個(gè)寫(xiě)周期?？梢岳斫鉃橹鳈C每發(fā)送一個(gè)字節后都會(huì )等待一個(gè)ACK回答響應信號，否則，主機認為從機(X9221A)沒(méi)有正常接收數據。

2.2.2 X9221指令表

　　表1是X9221所有指令說(shuō)明，其中前4種指令的正常執行需要在串行數據線(xiàn)上至少有3個(gè)步驟：①通過(guò)數據線(xiàn)寫(xiě)從機地址；②寫(xiě)指令；③寫(xiě)數據。才能完成一個(gè)寄存器的讀或寫(xiě)，這4種指令適用于X9221三字節時(shí)序格式操作。如果是寫(xiě)在WCR類(lèi)型的寄存器中，掉電后數據丟失，寫(xiě)在DATA類(lèi)型的寄存器中，掉電后數據存在其中；全局轉換的4種指令的正常執行需要在串行數據線(xiàn)上至少有2個(gè)步驟：①通過(guò)數據線(xiàn)寫(xiě)從機地址、②寫(xiě)指令，才能完成所有寄存器之間的數據交換，適用于X9221兩字節時(shí)序格式操作；最后一種"+／-"指令相當于"在線(xiàn)"上下調節電位器中間抽頭，比較直觀(guān)，很好理解。"+／-"指令僅訪(fǎng)問(wèn)WCR類(lèi)型寄存器，且只是寫(xiě)操作，如果數據線(xiàn)SDA保持高電平，下一個(gè)時(shí)鐘信號SCL周期到來(lái)，WCR寄存器數據"+1"。如果數據線(xiàn)SDA保持低電平，下一個(gè)時(shí)鐘信號SCL周期到來(lái)，WCR寄存器數據"-1"。然而，不管哪種命令，只要寫(xiě)DATA類(lèi)型的寄存器(芯片內的E2ROM存儲單元)，寫(xiě)操作要花費大約10 ms時(shí)間才能完成，在設計通信軟件時(shí)一定要特別留意。

3 AVR系列單片機與數字電位器硬件和軟件設計

3.1 X9221數字電位器與AVR系列單片機硬件接口

　　X9221數字電位器與AVR系列單片機硬件接口如圖3所示。硬件連接非常簡(jiǎn)單，只需將所有設備串行數據線(xiàn)SDA、串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL相連接并接10 kΩ左右的上拉電阻即可。連接在I2C總線(xiàn)上的邏輯電平為"線(xiàn)與"邏輯關(guān)系，只要有一個(gè)設備將其拉低，總線(xiàn)上即出現低電平，當所有設備總線(xiàn)都懸掛起時(shí)呈現高阻狀態(tài)。主機發(fā)送模式就是向其中一個(gè)外設寫(xiě)入數據，首先產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)信號"START"，"START"發(fā)送成功后才向外設發(fā)送設備地址，地址發(fā)送成功后，再發(fā)送數據，數據可以是1～N個(gè)字節，所有數據發(fā)送完成，最后發(fā)送"STOP"完成主機寫(xiě)的過(guò)程。主機接收模式也是一樣的，過(guò)程類(lèi)似。對X9221來(lái)說(shuō)地址發(fā)送完成后，必須發(fā)送指令模式，告訴X9221目前將做什么，指令的含義上面已提到，指令模式后是一組數據，其它過(guò)程一樣。

　為了使I2C總線(xiàn)處于正常狀態(tài)，所有總線(xiàn)上的設備必須加電，如果有一個(gè)設備沒(méi)有加電，總線(xiàn)將處于不正常工作狀態(tài)。在總線(xiàn)上有幾個(gè)設備同時(shí)欲將發(fā)送數據時(shí)，競爭中某主機發(fā)現仲裁失敗后，應立即回到從機狀態(tài)或放棄總線(xiàn)請求，保證獲取總線(xiàn)控制權的主機正常發(fā)送數據；不同的主機有不同的總線(xiàn)時(shí)鐘頻率，通過(guò)SCL信號"線(xiàn)與"來(lái)保證，即高電平為高電平中最短的，低電平為低電平中最長(cháng)的，也就是說(shuō)協(xié)議"照顧"了速度最慢的設備；集結在總線(xiàn)上所有的傳送必須包含相同數目的數據包，否則，多主機系統中仲裁結果無(wú)法定義，這在設計上要特別注意。

3.2 X9221數字電位器與AVR系列單片機通信軟件設計

　　下面是一個(gè)通過(guò)查詢(xún)由atmega16單片機向X9221發(fā)送數據的例程，在這個(gè)例程中需要注意的是TWINT標志利用軟件寫(xiě)"1"進(jìn)行清零(清除硬件置位標志)，而當前發(fā)送完成后由硬件自動(dòng)將TWINT標志置"1"，TWINT標志是不能通過(guò)硬件清零的；每次通過(guò)檢查T(mén)WINT標志判斷當前發(fā)送是否完成，通過(guò)讀取狀態(tài)寄存器TWSR的值判斷發(fā)送的數據是否正確。