X9241數(shù)字電位器的原理及在DSP中的應(yīng)用
X9241是Xicor公司生產(chǎn)的一種集成數(shù)字電位器。它在單一芯片上集成了4個10kΩ數(shù)字電位器，每個電位器的滑動端共有64個離散的調(diào)節(jié)節(jié)點，并有4個8bit的E2PROM數(shù)據(jù)寄存器以及一個滑刷控制寄存器（WCR）。用戶可以通過相應(yīng)指令使電位器的WCR（滑刷控制寄存器）與某個數(shù)據(jù)寄存器相關(guān)聯(lián)，也可以直接控制WCR以達(dá)到改變電位器滑動端位置的目地。X9241芯片具有I2C總線接口，可以實現(xiàn)寄存器映射、改變滑刷位置以及進(jìn)行電位器級聯(lián)等操作。X9241采用20引腳雙列直插封裝，其引腳排列如圖1所示。其中VWi（i＝0～3）為四個獨立的10kΩ電位器的滑動端；VLi（i＝0～3）分別為四個電位器的兩個終端；A3，A2，A1，A0為X9241芯片的設(shè)備地址；SCL，SDA分別為I2C接口的串行時鐘和串行數(shù)據(jù)線。X9241的工作電壓為5V。
1．1 X9241的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
X9241的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可以看出，一個X9241芯片內(nèi)含有：I2C總線接口、SDA串行數(shù)據(jù)線、SCL串行時鐘線以及4個POT（電位器）。每個POT有4個8bit的E2PROM數(shù)據(jù)寄存器和一個WCR滑刷控制寄存器。
1．2 X9241的控制方式
需要說明的是，雖然X9241具有I2C總線接口，但由于X9241采用特殊的3字節(jié)指令結(jié)構(gòu)，而普通I2C硬件都是雙字節(jié)格式。因此最好采用軟件模擬I2C總線時序。
1．3 X9241的主要參數(shù)
X9241的主要性能參數(shù)如下：
●SCK，SCL或其它地址輸入端相對于Vss的電壓為－1～＋7V；
●VH或VL相對于Vss的電壓范圍為±8V；
●△V＝｜VH－VL｜為16V；
●X9241工作電壓范圍為5V＋10％。
因為VH或VL相對于VSS的電壓范圍是±8V，所以X9241可以不受數(shù)字電路0～＋5V電源窗口的制約而廣泛地應(yīng)用于各種具有正負(fù)電源的模擬電路之中。
2 X9241的指令字格式
X9241的讀／寫指令均由三段組成（如圖3所示），每段均有一個字節(jié)：第一段為從屬設(shè)備地址；第二段為指令字節(jié)；第三段為數(shù)據(jù)。 ?
第一字段的前4位為設(shè)備類型標(biāo)識，對于X9241，其固定值為0101，后4位是設(shè)備地址（A3，A2，A1，A0），這4位的0，1取值取決于芯片上的A3－A0引腳是接GND還是接VCC。
第二字段描述了操作類型和操作對象。其中前4位是指令代碼I3～I(xiàn)0，后4位是操作對象P1、P0和R1、R0。其中P1，P0是4個電位器的選擇編碼，R1，R0是每個電位器的4個寄存器的選擇編碼。X9241的指令集如表1所列。表中的1／0表示數(shù)據(jù)為1或0，N／A為無效位。
第三字段是8bits的數(shù)據(jù)段，它的前兩位CM、DW是控制位，其中CM是級聯(lián)模式控制位，當(dāng)CM為0時，為正常模式，當(dāng)CM為1時，該電位器與序號比它高一級的電位器級聯(lián)。比如，若WCR2的CM為1，表示電位器2就與電位器3級聯(lián)。DW是電位器滑動端使能控制位。當(dāng)DW為0時，為正常模式，當(dāng)DW為1時，該電位器的滑動端失效，即滑動端處于絕緣懸浮狀態(tài)。CM和DW配合使用可以實現(xiàn)電位器的級聯(lián)，并可保證級聯(lián)電位器在滑動時只有一個有效滑動端。
X9241的三字節(jié)指令序列傳輸示意圖如圖4所示，X9241還有一種遞增/遞減的控制方式，由于不常用，在此不再陳述。一個完整的X9241讀／寫時序包括以下幾個部分：
?。?）起始位。以SCL為高電平，SDA出現(xiàn)下跳沿為起始標(biāo)志；
（2）傳送X9241的從屬設(shè)備地址字段；
?。?）接收X9241返回的ACK（應(yīng)答）信號，它是在SCL為高電平期間，SDA線上為低電平的狀態(tài)；
?。?）向X9241傳送指令字段；
?。?）接收X9241返回的ACK信號；
（6）如果是‘寫’方式，則向X9241發(fā)送8bit數(shù)據(jù)。并接收ACK信號；如果是‘讀’方式，則準(zhǔn)備接收X9241將要返回的8bit數(shù)據(jù)，并在接收完成后，向X9241發(fā)送ACK信號；
?。?）停止位。以SCL為高電平，SDA出現(xiàn)上跳沿為I2C傳輸?shù)耐Ｖ箻?biāo)志。
3 在TMS320F206型DSP中的應(yīng)用
圖5是筆者在氨氮傳感器中使用X9241的部分電路示意圖。在這個電路中，用X9241上的POT0和POT3代替原模擬電路中的兩個10kΩ機械電位器來完成調(diào)整倍率和零點的任務(wù)。DSP的I／O2，I／O3分別連接到SCL和SDA端口上。該電路中，X9241的A3獳0均接地，所以它的設(shè)備地址是0000。因此在對這個芯片的電位器進(jìn)行讀／寫操作時，第一字段應(yīng)當(dāng)是01010000，即50h（DSP的十六進(jìn)制數(shù)）。
圖6和圖7分別是用IO2和IO3模擬I2C總線時，對X924進(jìn)行讀、寫的子程序流程圖。
4 結(jié)束語
使用數(shù)字電位器的主要優(yōu)勢是定位精度高，不受機械震動影響，并可以通過程控來實現(xiàn)半自動化調(diào)節(jié)。另外，由于數(shù)字電位器的VH、VL電壓窗口較寬，因而能在許多場合取代機械模擬電位器。使用數(shù)字電位器的缺點是不能連續(xù)調(diào)節(jié)。由于每個數(shù)字電位器只有64檔，所以對于離散多檔位調(diào)節(jié)場合，用數(shù)字電位器很方便。而在需要連續(xù)調(diào)節(jié)的場合，似乎不如連續(xù)可調(diào)的模擬電位器方便。但是設(shè)計時可以采取以下方法進(jìn)行補償：
?。?）多芯片級聯(lián)使用，以增加有效檔位；
?。?）兩個數(shù)字電位器配合使用，一個作為粗調(diào)，一個作為細(xì)調(diào)，兩者搭配，可以得出許多種適合不同需要的組合。
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