X9241数字电位器的原理及在DSP中的应用

1 X9241概述
　　X9241是XICor公司生产的一种集成数字电位器。它在单一芯片上集成了4个10kΩ数字电位器，每个电位器的滑动端共有64个离散的调节节点，并有4个8bit的E2PROM数据寄存器以及一个滑刷控制寄存器（WCR）。用户可以通过相应指令使电位器的WCR（滑刷控制寄存器）与某个数据寄存器相关联，也可以直接控制WCR以达到改变电位器滑动端位置的目地。X9241芯片具有I2C总线接口，可以实现寄存器映射、改变滑刷位置以及进行电位器级联等操作。X9241采用20引脚双列直插封装，其引脚排列如图1所示。其中VWi（i＝0～3）为四个独立的10kΩ电位器的滑动端；VLi（i＝0～3）分别为四个电位器的两个终端；A3，A2，A1，A0为X9241芯片的设备地址；SCL，SDA分别为I2C接口的串行时钟和串行数据线。X9241的工作电压为5V。
1．1 X9241的内部结构
　　
X9241的内部结构如图2所示，从图中可以看出，一个X9241芯片内含有：I2C总线接口、SDA串行数据线、SCL串行时钟线以及4个POT（电位器）。每个POT有4个8bit的E2PROM数据寄存器和一个WCR滑刷控制寄存器。
1 ．2 X9241的控制方式




　　需要说明的是，虽然X9241具有I2C总线接口，但由于X9241采用特殊的3字节指令结构，而普通I2C硬件都是双字节格式。因此最好采用软件模拟I2C总线时序。
　　1．3 X9241的主要参数
　　X9241的主要性能参数如下：
　　●SCK，SCL或其它地址输入端相对于Vss的电压为－1～＋7V；
　　●VH或VL相对于Vss的电压范围为±8V；
　　●△V＝｜VH－VL｜为16V；
　　●X9241工作电压范围为5V＋10％。
　　
　　因为VH或VL相对于VSS的电压范围是±8V，所以X9241可以不受数字电路0～＋5V电源窗口的制约而广泛地应用于各种具有正负电源的模拟电路之中。
2 X9241的指令字格式
　　X9241的读／写指令均由三段组成（如图3所示），每段均有一个字节：第一段为从属设备地址；第二段为指令字节；第三段为数据。 ?

　　第一字段的前4位为设备类型标识，对于X9241，其固定值为0101，后4位是设备地址（A3，A2，A1，A0），这4位的0，1取值取决于芯片上的A3－A0引脚是接GND还是接VCC。
　　
　　第二字段描述了操作类型和操作对象。其中前4位是指令代码I3～I0，后4位是操作对象P1、P0和R1、R0。其中P1，P0是4个电位器的选择编码，R1，R0是每个电位器的4个寄存器的选择编码。X9241的指令集如表1所列。表中的1／0表示数据为1或0，N／A为无效位。
　　
　　第三字段是8bits的数据段，它的前两位CM、DW是控制位，其中CM是级联模式控制位，当CM为0时，为正常模式，当CM为1时，该电位器与序号比它高一级的电位器级联。比如，若WCR2的CM为1，表示电位器2就与电位器3级联。DW是电位器滑动端使能控制位。当DW为0时，为正常模式，当DW为1时，该电位器的滑动端失效，即滑动端处于绝缘悬浮状态。CM和DW配合使用可以实现电位器的级联，并可保证级联电位器在滑动时只有一个有效滑动端。
　　
　　X9241的三字节指令序列传输示意图如图4所示，X9241还有一种递增/递减的控制方式，由于不常用，在此不再陈述。一个完整的X9241读／写时序包括以下几个部分：
　　
　　（1）起始位。以SCL为高电平，SDA出现下跳沿为起始标志；
　　（2）传送X9241的从属设备地址字段；
　　（3）接收X9241返回的ACK（应答）信号，它是在SCL为高电平期间，SDA线上为低电平的状态；
　　（4）向X9241传送指令字段；
　　（5）接收X9241返回的ACK信号；
　　（6）如果是‘写’方式，则向X9241发送8bit数据。并接收ACK信号；如果是‘读’方式，则准备接收X9241将要返回的8bit数据，并在接收完成后，向X9241发送ACK信号；
　　（7）停止位。以SCL为高电平，SDA出现上跳沿为I2C传输的停止标志。



3 在TMS320F206型DSP中的应用
　　图5是笔者在氨氮传感器中使用X9241的部分电路示意图。在这个电路中，用X9241上的POT0和POT3代替原模拟电路中的两个10kΩ机械电位器来完成调整倍率和零点的任务。DSP的I／O2，I／O3分别连接到SCL和SDA端口上。该电路中，X9241的A3獳0均接地，所以它的设备地址是0000。因此在对这个芯片的电位器进行读／写操作时，第一字段应当是01010000，即50h（DSP的十六进制数）。
　　
　　图6和图7分别是用IO2和IO3模拟I2C总线时，对X924进行读、写的子程序流程图。

4 结束语
　　使用数字电位器的主要优势是定位精度高，不受机械震动影响，并可以通过程控来实现半自动化调节。另外，由于数字电位器的VH、VL电压窗口较宽，因而能在许多场合取代机械模拟电位器。使用数字电位器的缺点是不能连续调节。由于每个数字电位器只有64档，所以对于离散多档位调节场合，用数字电位器很方便。而在需要连续调节的场合，似乎不如连续可调的模拟电位器方便。但是设计时可以采取以下方法进行补偿：
　　（1）多芯片级联使用，以增加有效档位；
　　（2）两个数字电位器配合使用，一个作为粗调，一个作为细调，两者搭配，可以得出许多种适合不同需要的组合。