X9241數(shù)字電位器原理及在DSP中應(yīng)用

1 X9241概述

　　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(gè)10kΩ數(shù)字電位器，每個(gè)電位器的滑動(dòng)端共有64個(gè)離散的調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，并有4個(gè)8bit的E²PROM數(shù)據(jù)寄存器以及一個(gè)滑刷控制寄存器（WCR）。用戶可以通過(guò)相應(yīng)指令使電位器的WCR（滑刷控制寄存器）與某個(gè)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(dòng)端位置的目地。X9241芯片具有I²C總線接口，可以實(shí)現(xiàn)寄存器映射、改變滑刷位置以及進(jìn)行電位器級(jí)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(gè)獨(dú)立的10kΩ電位器的滑動(dòng)端；VLi（i＝0～3）分別為四個(gè)電位器的兩個(gè)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(shí)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(gè)X9241芯片內(nèi)含有：I²C總線接口、SDA串行數(shù)據(jù)線、SCL串行時(shí)鐘線以及4個(gè)POT（電位器）。每個(gè)POT有4個(gè)8bit的E²PROM數(shù)據(jù)寄存器和一個(gè)WCR滑刷控制寄存器。

1．2 X9241的控制方式

　　第一字段的前4位為設(shè)備類型標(biāo)識(shí)，對(duì)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(duì)象。其中前4位是指令代碼I3～I(xiàn)0，后4位是操作對(duì)象P1、P0和R1、R0。其中P1，P0是4個(gè)電位器的選擇編碼，R1，R0是每個(gè)電位器的4個(gè)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(wú)效位。
　　
　　第三字段是8bits的數(shù)據(jù)段，它的前兩位C_M、D_W是控制位，其中C_M是級(jí)聯(lián)模式控制位，當(dāng)C_M為0時(shí)，為正常模式，當(dāng)C_M為1時(shí)，該電位器與序號(hào)比它高一級(jí)的電位器級(jí)聯(lián)。比如，若WCR2的C_M為1，表示電位器2就與電位器3級(jí)聯(lián)。D_W是電位器滑動(dòng)端使能控制位。當(dāng)D_W為0時(shí)，為正常模式，當(dāng)D_W為1時(shí)，該電位器的滑動(dòng)端失效，即滑動(dòng)端處于絕緣懸浮狀態(tài)。C_M和D_W配合使用可以實(shí)現(xiàn)電位器的級(jí)聯(lián)，并可保證級(jí)聯(lián)電位器在滑動(dòng)時(shí)只有一個(gè)有效滑動(dòng)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(gè)完整的X9241讀／寫時(shí)序包括以下幾個(gè)部分：
　　
　?。?）起始位。以SCL為高電平，SDA出現(xiàn)下跳沿為起始標(biāo)志；
　?。?）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(hào)，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(hào)；
　?。?）如果是‘寫’方式，則向X9241發(fā)送8bit數(shù)據(jù)。并接收ACK信號(hào)；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(hào)；
　?。?）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(gè)電路中，用X9241上的POT0和POT3代替原模擬電路中的兩個(gè)10kΩ機(jī)械電位器來(lái)完成調(diào)整倍率和零點(diǎn)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(duì)這個(gè)芯片的電位器進(jìn)行讀／寫操作時(shí)，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(shí)，對(duì)X924進(jìn)行讀、寫的子程序流程圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　使用數(shù)字電位器的主要優(yōu)勢(shì)是定位精度高，不受機(jī)械震動(dòng)影響，并可以通過(guò)程控來(lái)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化調(diào)節(jié)。另外，由于數(shù)字電位器的V_H、V_L電壓窗口較寬，因而能在許多場(chǎng)合取代機(jī)械模擬電位器。使用數(shù)字電位器的缺點(diǎn)是不能連續(xù)調(diào)節(jié)。由于每個(gè)數(shù)字電位器只有64檔，所以對(duì)于離散多檔位調(diào)節(jié)場(chǎng)合，用數(shù)字電位器很方便。而在需要連續(xù)調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，似乎不如連續(xù)可調(diào)的模擬電位器方便。但是設(shè)計(jì)時(shí)可以采取以下方法進(jìn)行補(bǔ)償：

　?。?）多芯片級(jí)聯(lián)使用，以增加有效檔位；
　?。?）兩個(gè)數(shù)字電位器配合使用，一個(gè)作為粗調(diào)，一個(gè)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。