可編程數(shù)字電位器在atmega16單片機(jī)中的應(yīng)用

1 引言

　　AVR嵌入式單片機(jī)具有豐富的硬件、軟件資源，其中的串行I2C接口能滿足很多應(yīng)用場合的要求，兩個AVR單片機(jī)通過I2C總線直接連接就可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)相互通信；AVR單片機(jī)還可以和任何具有I2C總線接口的外設(shè)直接連接而無須其它硬件電路支持。而X9221系列可編程數(shù)字電位器在智能測試設(shè)備上應(yīng)用非常廣泛，通過I2C總線可以簡單地構(gòu)成單片機(jī)與各種外設(shè)之間乃至與計算機(jī)之間的通信，建立友好的人機(jī)界面聯(lián)系。硬件設(shè)計簡單、靈活，只需要將所有設(shè)備的SDA和SCL信號線分別并聯(lián)在一起并加上拉電阻即可，有助于提高設(shè)備的自動化水平、可靠性、穩(wěn)定性及電氣裝配的工藝性。AVR單片機(jī)和X9221系列可編程數(shù)字電位器都有內(nèi)置的E2ROM單元，可以非常方便地為用戶保留一些工藝參數(shù)；X9221系列電位器0～63級的變化可以將電位器調(diào)節(jié)到手動無法實(shí)現(xiàn)的平滑級別，調(diào)節(jié)過程中不會產(chǎn)生噪聲且壽命長、不受機(jī)械振動污染潮濕影響等。

2 X9221系列數(shù)字電位器介紹

2.1電氣特性及硬件結(jié)構(gòu)原理

　　X9221系列電位器共有15種規(guī)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(nèi)有兩個數(shù)字電位器，參見圖1，X9221系列電位器封裝及引腳功能。內(nèi)置的E2ROM單元，可以在掉電時將數(shù)據(jù)很好地保存，上電時自動加載到自己的RAM單元，電位器接口是標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線，其中的數(shù)據(jù)寄存器可通過I2C總線進(jìn)行讀寫操作；電位器滑動端(VW0／RW0，VW1／RW1)相當(dāng)于普通電位器中間抽頭，是無摩擦"觸點(diǎn)"。

X9221系列電位器總電阻配置有3種阻值2 kΩ、10kΩ、50kΩ，用戶可根據(jù)自己的設(shè)計需求來選型。每一個芯片有A0～A3四位二進(jìn)制編程的器件地址以區(qū)分I2C總線上接入的不同外設(shè)，因此，一條總線上最多可接入16個X9221器件。器件內(nèi)部有兩組類型的寄存器"DATA"和"WCR"，他們的訪問則由串行數(shù)據(jù)線上的命令字來確定。電阻陣列通過內(nèi)部編碼可以有64種狀態(tài)，0～63種狀態(tài)的連續(xù)變化，相當(dāng)于電位器中心抽頭從普通電位器的一端滑動到另一端；所有的寄存器都可以通過I2C總線進(jìn)行雙向操作，即可讀可寫。

　　"在線"實(shí)時的調(diào)節(jié)電位器"中間抽頭位置"可以有3種方法：通過I2C總線向WCR寄存器寫數(shù)據(jù)(串行加載)、通過對相應(yīng)的DATA類寄存器直接寫數(shù)據(jù)(并行加載)、以及增量減量命令(下面會討論到)直接寫數(shù)據(jù)；概念上電位器"中間抽頭位置"可以由"WCR"寄存器來替代，其另一類寄存器可以由"DATA"寄存器來替代。

2.2數(shù)字電位器I2C總線時序及指令

2.2.1一般I2C總線通信時序

　　X9221系列數(shù)字電位器其接口是按標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線設(shè)計的，因此，硬件連接非常簡單，只需把串行時鐘線SCL、串行數(shù)據(jù)線SDA與之對應(yīng)相連即可。其通信完全符合I2C總線協(xié)議要求，串行時鐘線SCL、串行數(shù)據(jù)線SDA按照規(guī)定的協(xié)議產(chǎn)生一序列脈沖串，進(jìn)而完成傳輸一組數(shù)據(jù)的任務(wù)。參見圖2 I2C總線通信時序。

X9221系列數(shù)字電位器完全以從機(jī)的身份出現(xiàn)在I2C總線上，它不可以主機(jī)的身份出現(xiàn)在I2C總線上，也就是說對其寄存器的讀寫操作都受控于主機(jī)，這一點(diǎn)一定要在硬件和軟件設(shè)計上留意。當(dāng)主機(jī)發(fā)出"START"信號后，從機(jī)(X9221A)芯片即將拉高SDA線，表明放棄數(shù)據(jù)線權(quán)限由主機(jī)控制，主機(jī)發(fā)送一個字節(jié)后再由從機(jī)(X9221A)芯片自動拉低SDA線，表明數(shù)據(jù)收到，如果此時從機(jī)將SDA線拉不低，表明從機(jī)沒有正常接受數(shù)據(jù)，主機(jī)必須啟動下一個寫周期。可以理解為主機(jī)每發(fā)送一個字節(jié)后都會等待一個ACK回答響應(yīng)信號，否則，主機(jī)認(rèn)為從機(jī)(X9221A)沒有正常接收數(shù)據(jù)。

2.2.2 X9221指令表

　　表1是X9221所有指令說明，其中前4種指令的正常執(zhí)行需要在串行數(shù)據(jù)線上至少有3個步驟：①通過數(shù)據(jù)線寫從機(jī)地址；②寫指令；③寫數(shù)據(jù)。才能完成一個寄存器的讀或?qū)?，這4種指令適用于X9221三字節(jié)時序格式操作。如果是寫在WCR類型的寄存器中，掉電后數(shù)據(jù)丟失，寫在DATA類型的寄存器中，掉電后數(shù)據(jù)存在其中；全局轉(zhuǎn)換的4種指令的正常執(zhí)行需要在串行數(shù)據(jù)線上至少有2個步驟：①通過數(shù)據(jù)線寫從機(jī)地址、②寫指令，才能完成所有寄存器之間的數(shù)據(jù)交換，適用于X9221兩字節(jié)時序格式操作；最后一種"+／-"指令相當(dāng)于"在線"上下調(diào)節(jié)電位器中間抽頭，比較直觀，很好理解。"+／-"指令僅訪問WCR類型寄存器，且只是寫操作，如果數(shù)據(jù)線SDA保持高電平，下一個時鐘信號SCL周期到來，WCR寄存器數(shù)據(jù)"+1"。如果數(shù)據(jù)線SDA保持低電平，下一個時鐘信號SCL周期到來，WCR寄存器數(shù)據(jù)"-1"。然而，不管哪種命令，只要寫DATA類型的寄存器(芯片內(nèi)的E2ROM存儲單元)，寫操作要花費(fèi)大約10 ms時間才能完成，在設(shè)計通信軟件時一定要特別留意。

3 AVR系列單片機(jī)與數(shù)字電位器硬件和軟件設(shè)計

3.1 X9221數(shù)字電位器與AVR系列單片機(jī)硬件接口

　　X9221數(shù)字電位器與AVR系列單片機(jī)硬件接口如圖3所示。硬件連接非常簡單，只需將所有設(shè)備串行數(shù)據(jù)線SDA、串行時鐘線SCL相連接并接10 kΩ左右的上拉電阻即可。連接在I2C總線上的邏輯電平為"線與"邏輯關(guān)系，只要有一個設(shè)備將其拉低，總線上即出現(xiàn)低電平，當(dāng)所有設(shè)備總線都懸掛起時呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。主機(jī)發(fā)送模式就是向其中一個外設(shè)寫入數(shù)據(jù)，首先產(chǎn)生一個啟動信號"START"，"START"發(fā)送成功后才向外設(shè)發(fā)送設(shè)備地址，地址發(fā)送成功后，再發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以是1～N個字節(jié)，所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成，最后發(fā)送"STOP"完成主機(jī)寫的過程。主機(jī)接收模式也是一樣的，過程類似。對X9221來說地址發(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(shù)據(jù)，其它過程一樣。

　為了使I2C總線處于正常狀態(tài)，所有總線上的設(shè)備必須加電，如果有一個設(shè)備沒有加電，總線將處于不正常工作狀態(tài)。在總線上有幾個設(shè)備同時欲將發(fā)送數(shù)據(jù)時，競爭中某主機(jī)發(fā)現(xiàn)仲裁失敗后，應(yīng)立即回到從機(jī)狀態(tài)或放棄總線請求，保證獲取總線控制權(quán)的主機(jī)正常發(fā)送數(shù)據(jù)；不同的主機(jī)有不同的總線時鐘頻率，通過SCL信號"線與"來保證，即高電平為高電平中最短的，低電平為低電平中最長的，也就是說協(xié)議"照顧"了速度最慢的設(shè)備；集結(jié)在總線上所有的傳送必須包含相同數(shù)目的數(shù)據(jù)包，否則，多主機(jī)系統(tǒng)中仲裁結(jié)果無法定義，這在設(shè)計上要特別注意。

3.2 X9221數(shù)字電位器與AVR系列單片機(jī)通信軟件設(shè)計

　　下面是一個通過查詢由atmega16單片機(jī)向X9221發(fā)送數(shù)據(jù)的例程，在這個例程中需要注意的是TWINT標(biāo)志利用軟件寫"1"進(jìn)行清零(清除硬件置位標(biāo)志)，而當(dāng)前發(fā)送完成后由硬件自動將TWINT標(biāo)志置"1"，TWINT標(biāo)志是不能通過硬件清零的；每次通過檢查TWINT標(biāo)志判斷當(dāng)前發(fā)送是否完成，通過讀取狀態(tài)寄存器TWSR的值判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確。