I2C总线数字电位器原理及与单片机的接口设计

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I2C总线数字电位器原理及与单片机的接口设计 [复制链接]

摘要I²C总线数字电位器是Xicor公司推出的数字电位器中较有代表性的一种，它集许多先进特性于一体，倍受使用者瞩目；本文介绍其特性、工作原理及与单片机的接口技术。

关键词数字电位器 I²C总线单片机程序模块

1引言

随着I²C总线应用的日益广泛，兼容I²C总线的接口芯片及存储器的品种也越来越多，其中数字电位器以其调节方便、使用寿命长、受物理环境的影响小、性能稳定等特点，已被广大电子工程技术人员所认识；尤其是在音频产品、控制领域等的应用越来越受到人们的重视。I²C总线数字电位器是美国Xicor公司推出的X9×××系列数字电位器中较有代表性的一种。它是把几个E²POT非易失性数字电位器集成在一起的单片CMOS微电路，具有二线串行I²C总线接口，易于软件控制，可直接读出、写入滑动端位置，可级联使用等先进特性。本文以X9241为例说明。

2结构原理

X9241内部包括一个I²C接口和四个数字电位器。每个数字电位器由电阻阵列及与之对应的滑动端计数寄存器WCR、四个8位数据寄存器R₀~R₃等部分构成。其引脚配置如图1所示。

2.1电阻阵列

每个电阻阵列由63个串联连接的分立的电阻段组成。每个电阻阵列的物理终端等效于机械电位器的固定端（V_H和V_L输入端）。每个阵列的V_H和V_L以及每个电阻段之间的接点（即抽头）通过FET开关连接滑动输出端V_W；而滑动端V_W在电阻阵列中的位置由WCR控制。

图1X9241引脚配置图

其中V_W0、V_W1、V_W2及V_W3分别为四个电位器的滑动端；V_L0、V_L1、V_L2及V_L3分别为四个电位器的低端；V_H0、V_H1、V_H2及V_H3分别为四个电位器的高端；A₀、A₁、A₂及A₃为地址线（用来设置从属地址低4位）；SDA及SCL分别为串行数据和串行时钟；V_CC及V_SS分别为电源和地

如果将四个电阻阵列中的两个、三个或四个串联起来可构成127、190或253个抽头的数字电位器。
X9241电位器电阻阵列的阻值种类根据后缀的不同而不同。当分别为Y、W、U时，则电阻阵列分别为四个2kΩ、四个10kΩ、四个50kΩ的数字电位器；而当为M时，其内部四个数字电位器阻值分别为2kΩ、10kΩ、10kΩ、50kΩ。

2.2滑动端计数寄存器WCR

滑动端计数寄存器WCR实际上是一个6位带有译码输出的计数器，用来实现选择六十四选一的FET开关的位置，即控制滑动端在电阻阵列中的位置。WCR是一种易失性存贮器，其内容可通过指令改写，上电时装入数据寄存器R₀的内容（注意：此值可能与断电时的值不同）。

2.3数据寄存器

数据寄存器的内容可由用户读出或写入，其内容可传输到滑动计数寄存器WCR以设置滑动端的位置。每个数字电位器有四个8位非易失性数据寄存器R₀~R₃。

2.4串行接口

X9241支持I²C串行双向总线的定向规约：实际应用时X9241为从器件，由主机启动数据的传输，并为发送和接收操作提供时钟。数据线SDA和时钟线SCL的信号间关系（起始条件、终止条件及应答条件）见图2。

3器件寻址及指令结构

3.1器件寻址

在起始后，主器件输出它所要访问的从器件地址，该地址的格式如下：

0

1

0

1

A3

A2

A1

A0

对于X9241来说，这个地址的高4位固定为：0101，低4位由物理的器件地址A0~A3输入端状态决定。这样，X9241把串行数据流与地址输入端的状态进行比较，若所有位都比较成功，则该器件在总线上作出一个应答响应。

3.2指令结构

主器件在发送完起始条件及器件地址，且从器件作出应答之后，送到X9241的下一个字节包括指令及寄存器指针的信息。其格式如下：

I3

I2

I1

I0

P1

P0

R1

R0

其中低4位中前两位（R0和R1）指出四个寄存器中的一个，后两位（P0和P1）选择四个电位器中的哪一个；高4位决定指令，X9241共有9条指令见表1。
表1X9241指令

指令	I3	I2	I1	I0	P1	P0	R1	R0	功能说明
Read WCR	1	0	0	1	1/0	1/0	×	×	读P1、P0指定的滑动端计数寄存器内容
Write WCR	1	0	1	0	1/0	1/0	×	×	写新值到P1、P0指定的滑动端计数寄存器中
Read Data Register	1	0	1	1	1/0	1/0	1/0	1/0	读P1、P0和R1、R0指定的寄存器内容
Write Data Register	1	1	0	0	1/0	1/0	1/0	1/0	写新值到P1、P0和R1、R0指定的寄存器中
XFT Data Register to WCR	1	1	0	1	1/0	1/0	1/0	1/0	传输由P1、P0和R1、R0指定的寄存器内容到与它相关的WCR中
XFT WCRto Data Register	1	1	1	0	1/0	1/0	1/0	1/0	传输由P1、P0指定的WCR的内容到R1、R0指定的寄存器中
Global XFT Data Register to WCR	0	0	0	1	×	×	1/0	1/0	传输由R1、R0指定的所有四个数据寄存器的内容到与它们相应的WCR中
Global XFT WCRto Data Register	1	0	0	0	×	×	1/0	1/0	传输所有WCR中的内容到与它们相应的由R1、R0指定的数据寄存器中
Increment /Decrement Wiper	0	0	1	0	1/0	1/0	×	×	使能增加/减少由P1、P0指定的滑动端计数寄存器（WCR）的内容

   9条指令中包括四条两字节指令，四条三字节指令和一条增加/减少指令。
   （1）两字节指令：这四条两字节指令用作在WCR与数据寄存器中的一个之间交换数据；这种传输可以发生在四个电位器之一与它们的一个辅助寄存器之间，或全局性地发生在所有四个电位器与它们的一个辅助寄存器之间；操作时序见图2（a）。
   （2）三字节指令：这四条指令是在主机和X9241之间传输数据，无论是主机与一个数据寄存器或是主机直接与WCR间都可以；这些指令是读、写WCR（即读出、写入选定电位器的当前滑动端的位置）或读、写数据寄存器（即读出、写入选定的非易失性寄存器的内容）；操作时序见图2（b）。
   （3）增加/减少指令：这条指令与其它的指令不同，一旦这条指令发出且X9241已用一个应答来响应后，主机才能够以时钟来触发选定的滑动端升或降一个电阻段；这个操作的命令时序见图2（c）。

4电位器的串联方式及控制

X9241提供一个把阵列串联起来的机构，可以把一个阵列的六十三个电阻元件与一个相邻阵列的电阻元件串联起来，其控制位在三字节的指令中。对于三字节的指令，其数据字节包括用来定义滑动端位置的6位（LSB）加上高2位：CM（串联方式Caseade Mode）和DW（禁止滑动端Disable Wipe）。CM位的状态用来使能或禁止串联方式；当WCR的CM位被置为“0”时，则电位器是正常工作方式；当CM位置“1”，则与它相邻的高序号的电位器串联连接。例如电位器WCR1的位7被置为“1”，则POT1与POT2被串联使用。DW位的状态用于使能或禁止滑动端，当WCR的DW位被置为“0”（或“1”）时，则滑动端被使能（或被禁止），禁止时该滑动端是电气上隔离并且是浮空的，当工作于串联方式时，被串联阵列的V_H、V_L及滑动端V_W这三个输出端必须在电气上与外部连接，除了一个滑动端被使能以外，其余的滑动端必须被禁止。用户可以通过改变WCR的内容来改变滑动端的位置。

5与GMS90/97系列单片机的接口

图3是X9241与GMS90/97系列单片微机之间的一种有代表性的连接，笔者曾将该连接方法成功地用于音频系统和智能仪表中，作为增益反馈电阻，这样可在宽范围内由软件编程来调整放大器的增益。在实际应用系统设计中，采用I²C总线数字电位器可以收到降低成本、简化电路的效果；然而在数字电位器带来硬件设计简化的同时，却增加了软件的工作量，原因是对其访问需要一套严格而复杂的操作；假如有了接口程序模块，使用I²C总线数字电位器就很方便了。为此，本文给出笔者已成功应用的I²C总线数字电位器与GMS90/97系列单片机的接口程序模块，读者几乎不需改动就可采用;该程序模块略加修改还可用于串行E²PROM的读写。
在图3的连接中，GMS97C51单片机的时钟为6MHz。由于只连接一片X9241数字电位器，则地址A3A2A1A0=0000，故X9241的器件地址固定为50H。调用时将直接位02H用作滑动端的增减位，命令字节放30H单元，要写入的数据放32H单元；程序执行结束将读出的数据放31H单元。其模块程序清单如下：

图3GMS90/97系列单片机与X9241的典型连接

E²POT驱动程序模块

RW9241:	SCL	BIT	P1.4
	SDA	BIT	P1.5
	INCDEC	BIT	02H
；滑动端的增减位
	DEVICE	DATA	50H

；器件地址

	COMMAND	EQU	30H
；命令字节
	RD_DATA	EQU	31H
；读出的数据

	WR_DATA	EQU	32H
；写入的数据
	ACALL	START_IC
；置开始

	MOV	A,#DEVICE
	ACALL	WR_BYTE
；写器件地址
	MOV	A,COMMAND

；根据命令及识别字散转
	SWAP	A
	ANL	A,#0FH
	CJNE	A,#09H,XRW1

；指令的高4位为09H表示R_WCR

	AJMP	R_WCR
XRW1:	CJNE	A,#0AH,XRW2
；指令的高4位为0AH表示W_WCR
	AJMP	W_WCR
XRW2:	CJNE	A,#0BH,XRW3
；指令的高4位为0BH表示R_ROM（读寄存器）
	AJMP	R_ROM
XRW3:	CJNE	A,#0CH,XRW4
；指令的高4位为0CH表示W_ROM（写寄存器）
	AJMP	W_ROM
XRW4:	CJNE	A,#0DH,XRW5
；指令的高4位为0DH表示将寄存器中的值传送到WCR
	AJMP	ROM_WCR
XRW5:	CJNE	A,#0EH,XRW6

；指令的高4位为0EH表示将WCR中的值传送到寄存器
	AJMP	WCR_ROM
XRW6:	CJNE	A,#01H,XRW7
；指令的高4位为01H表示全局寄存器中值传送到WCR
	AJMP	A_ROM_WCR
XRW7:	CJNE	A,#08H,XRW8
；指令的高4位为08H表示全局WCR中值传送到寄存器
	AJMP	A_WCR_ROM
XRW8:	CJNE	A,#02H,XRW9
；指令的高4位为02H表示指定的WCR增/减
	AJMP	INC_DEC
XRW9:	ACALL	STOP_IC

；命令执行完毕，STOP并返回

	RETI
R_WCR:	MOV	A,COMMAND

；读WCR子程序
	ACALL	WR_BYTE
	ACALL	RD_BYTE
	MOV	RD_DATA,A
	ACALL	ACK_IC

	AJMP	XRW9
W_WCR:	MOV	A,COMMAND

；写WCR子程序
	ACALL	WR_BYTE
	MOV	A,WR_DATA
	ACALL	WR_BYTE
	AJMP	XRW9
R_ROM:	MOV	A,COMMAND

；读寄存器子程序
	ACALL	WR_BYTE
	ACALL	RD_BYTE
	MOV	RD_DATA,A
	ACALL	ACK_IC
	AJMP	XRW9
W_ROM:	MOV	A,COMMAND
；写寄存器子程序
	ACALL	WR_BYTE
	MOV	A,WR_DATA
	ACALL	WR_BYTE
	AJMP	XRW9
ROM_WCR:	MOV	A,COMMAND
；寄存器中数据送WCR子程序
	ACALL	WR_BYTE
	AJMP	XRW9
WCR_ROM:	MOV	A,COMMAND
；WCR中数据送寄存器子程序
	CALL	WR_BYTE
	AJMP	XRW9
A_ROM_WCR:	MOV	A,COMMAND
；全局寄存器中数据送WCR子程序
	ACALL	WR_BYTE
	AJMP	XRW9
A_WCR_ROM:	MOV	A,COMMAND
；全局WCR中数据送寄存器子程序
	ACALL	WR_BYTE
	AJMP	XRW9
INC_DEC:	MOV	R7,#63
	MOV	A,COMMAND
；指定的WCR增/减子程序
	ACALL	WR_BYTE
	JB	INCDEC,WCRINC
	CLR	SDA
	SETB	SCL
	JMP	IDC
WCRINC:	CLR	SCL
	SETB	SDA
IDC:	CLR	SCL
	SETB	SCL
	DJNZ	R7,IDC
	AJMP	XRW9
START_IC:SETB		SDA
；开始子程序
	SETB	SCL
	CLR	SDA
	CLR	SCL
	RET
WR_BYTE:MOV		B,#08
；写字节子程序，共写8位
WR_BYTE1:CLR		SCL
	RLC	A
；向左移位至CY
	MOV	SDA,C

；数据输出
	SETB	SCL
	DJNZ	B,WR_BYTE1
	CLR	SCL
	SETB	SDA
	SETB	SCL
	JB	SDA,$
；检测X9241E的应答
	CLR	SCL
	RET
RD_BYTE:	MOV	B,#08
；读字节子程序，共读8位
RD_BYTE1:	SETB	SCL
	MOV	C,SDA
	RLC	A
	CLR	SCL
	DJNZ	B,RD_BYTE1
	RET
STOP_IC:	CLR	SDA
；停止子程序
	SETB	SCL
	SETB	SDA
	CLR	SCL
	CLR	SDA
	RET
ACK_IC:	CLR	SDA
；应答子程序
	SETB	SCL
	CLR	SCL
	RET

参考文献

   1No, nvolatile Digital Potentiometer Data Book.Xicor.1996.02
   2詹树仁.GMS90及GMS97系列单片机的工作原理及应用.武汉力源电子股份有限公司,1998.08
   3张积东等.单片机51/98开发与应用.北京电子工业出版社,1994.01