基于可編程數(shù)字電位器的AVR嵌入式單片機(jī)剖析

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”。

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。

START：

LDI R16，$A4；設(shè)置AVR單片機(jī)I2C總線控制寄存器

OUT TWCR，R16；軟件清除TWINT標(biāo)志W(wǎng)AIT1：

IN R16，TWCR；讀取控制寄存器TWCR

SBRS R16，7；等待硬件置位TWINT標(biāo)志

RJMP WAIT1；TWINT標(biāo)志沒置位，循環(huán)檢查等待

IN R16，TWSR；讀取狀態(tài)寄存器TWSR

ANDI R16，$F8；屏蔽無效位

CPI R16，$08：檢查“START”信號是否發(fā)送成功

BRNE ERROR；“START”信號發(fā)送未成功，轉(zhuǎn)入出錯處理

LDI R16，$56；發(fā)送X9221器件地址56=“5”器件標(biāo)識，“6”器件地址

OUT TWDR，R16

LDI R16，$84

OUT TWCR，R16；軟件清除TWINT標(biāo)志

IN R16，TWSR

ANDI R16，$F8

CPI R16，$18；檢查X9221器件地址是否發(fā)送成功

BRNE ERROR；X9221器件地址發(fā)送未成功，轉(zhuǎn)入出錯處理

LDI R16，$2F；設(shè)置所發(fā)送的數(shù)據(jù)（0～63有效，例中為47）

OUT TWDR，R16；數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)寄存器TWDR

LDI R16，$84

OUT TWCR，R16；軟件清除TWINT標(biāo)志；檢查數(shù)據(jù)“2F”是否發(fā)送完成，類似于上述循環(huán)繼續(xù)

LDI R16，$94；發(fā)送“STOP”信號，一次‘$2F’數(shù)據(jù)發(fā)送完成

OUT TWCR，R16

ERROR：···；出錯處理過程

END

在此例程中，器件的地址對X9221來說為56，其中“5”是器件本身固有的以區(qū)別于其它類型的設(shè)備，而“6”是設(shè)計硬件時規(guī)定的，可以是“0～F”任何十六進(jìn)制數(shù)值；例程中AVR單片機(jī)僅作為主機(jī)使用且向X9221發(fā)送數(shù)據(jù)，其實從X9221中讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)也是一樣的。本例程采用查詢方式，程序顯得繁瑣，但是如果采用中斷方式的話，程序就會顯得簡單多，只要標(biāo)志SREG寄存器中“I”位和I2C總線控制寄存器中的“TEWIE”置“1”，即中斷使能有效，當(dāng)“TWINT”標(biāo)志置“1”立即產(chǎn)生中斷請求，表明完成當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送完成，可以準(zhǔn)備下一個字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送或停止發(fā)送等操作。

4 X9221可編程數(shù)字電位器在半導(dǎo)體專用設(shè)備一些應(yīng)用研究

4.1用于測量微小電壓變化

圖4是微小電壓測量電路模型，用于芯片鍵合設(shè)備中去檢測吸頭上是否有芯片吸附以及吸頭是否堵塞、或者芯片是否丟失等現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)徑為大約0.1～0.15 mm的吸頭去吸附一個小芯片時，如果芯片較透明，光敏傳感器檢測出來的電壓變化較小，一般在10～50 mV間；同樣當(dāng)吸頭吸附一個小芯片時，氣路真空的壓力也會產(chǎn)生變化，這種壓力的變化以傳感器電壓變化輸出。為了改變電位器“中間抽頭”以便與傳感器檢測輸入電壓相匹配，計算機(jī)通過RS232接口向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)收到數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給X9221可編程數(shù)字電位器以改變基準(zhǔn)電壓值。比較基準(zhǔn)電壓U∑+按下式確定：

U∑+是LM393運(yùn)放同相輸入端電壓（在這種狀態(tài)下，考慮到前級傳感器輸出基本上處于放大狀態(tài)，所用傳感器電源電壓為+5 V，最高輸出電壓按3.5 V計算）

N是0～63共64種狀態(tài)變化值，那么，當(dāng)U∑+從0～3.5 V變化時，最小分辨率可以達(dá)到55 mV左右，用手工進(jìn)行一般電位器調(diào)節(jié)達(dá)到這樣的分辨率是難以掌控的。

基準(zhǔn)電壓（即U∑+）通過機(jī)器的人機(jī)界面可以“直接調(diào)節(jié)”，如果將電位器數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定，隨時還可以看到當(dāng)前的基準(zhǔn)電壓大小。傳感器輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較，使電壓比較器輸出反應(yīng)當(dāng)前的狀態(tài)，不同的時刻高低電平代表不同的意義，如“吸頭阻塞”、“芯片丟片”、“真空不足”等。

4.2測量微小電流變化

圖5是微小電流測量電路模型，用于引線鍵合設(shè)備中去檢測斷線、連線、短路等情況，被測器件是一個半導(dǎo)體元件，當(dāng)在焊盤上鍵合上一根金線時，通過檢測漏電流來判斷這條金線與芯片鍵合過程中是否存在“斷線”、“連線”、“短路”等情況。計算機(jī)通過界面操作發(fā)送指令以改變X9221可編程數(shù)字電位器的阻值，進(jìn)而改變電壓源的放大倍數(shù)以改變加在被測元件的電壓，從而達(dá)到適應(yīng)不同品種的半導(dǎo)體器件性能要求。

設(shè)：信號源的輸出為Us，運(yùn)放LM324輸出為U0，X9221電阻為Rx，被測元件阻抗為Rz，被測元件流過的漏電流為I0，則用以下兩個表達(dá)即可表達(dá)它們之間的關(guān)系：

通過主機(jī)界面改變Rx可編程電阻值，即可以改變U0，U0的改變等于改變了I0，而I0的改變等于改變了流過被測器件的最大允許電流，從而保護(hù)了被測器件不會因為檢測漏電流而損壞，通過檢測被測器件上施加的電壓和U0之差值即可判斷漏電流大小，從而檢測金線是否與被測器件焊盤點鍵合上。I0是根據(jù)不同器件在工藝參數(shù)上需要經(jīng)常調(diào)節(jié)的量，以適應(yīng)不同場合的要求。

5 結(jié)束語

可編程數(shù)字電位器的最大優(yōu)點在于直接可以和帶有I2C總線單片機(jī)相連而無需特殊設(shè)計，上位機(jī)可以隨機(jī)讀取電位器當(dāng)前設(shè)定值。利用它的這些優(yōu)點，可以提高設(shè)備儀器的智能化水平，特別是在帶有I2C總線的嵌入式單片機(jī)中應(yīng)用十分靈活簡單。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對設(shè)備、儀器以及家用電器的追求已不再僅僅滿足功能使用上，而是在產(chǎn)品應(yīng)用的人性化上要求越來越高，由于大多數(shù)自動化設(shè)備上，都具有友好的人機(jī)界面，人們通過計算機(jī)界面想完成所有操作，比如調(diào)節(jié)一個電位器以調(diào)節(jié)電流、電壓或者電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩、頻率等物理量，利用可編程數(shù)字電位器完全可以通過界面完成。適時采用可編程數(shù)字電位器不但可以降低成本、簡化電路設(shè)計、提高可靠性，而且可以使設(shè)計更加人性化。另外，AVR單片機(jī)可以通過JTAG接口完成仿真調(diào)試、下載程序；片內(nèi)有FLASH和E2ROM存儲單元，有標(biāo)準(zhǔn)的串行接口、I2C總線接口、SPI接口增強(qiáng)了其硬件功能；支持C語言編程，便于掌握C語言者無需太多地了解硬件就能進(jìn)行一些編程。