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(chǎng)合的要求，兩個(gè)AVR單片機(jī)通過(guò)I2C總線直接連接就可實(shí)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(wú)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(cè)試設(shè)備上應(yīng)用非常廣泛，通過(guò)I2C總線可以簡(jiǎn)單地構(gòu)成單片機(jī)與各種外設(shè)之間乃至與計(jì)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(jì)簡(jiǎn)單、靈活，只需要將所有設(shè)備的SDA和SCL信號(hào)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(dòng)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(jí)的變化可以將電位器調(diào)節(jié)到手動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的平滑級(jí)別，調(diào)節(jié)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生噪聲且壽命長(zhǎng)、不受機(jī)械振動(dòng)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(hào)，有雙列直插DIP20和表面貼裝SOIC20兩種封裝。電源電壓民品級(jí)、工業(yè)級(jí)為4.5～5.5V，軍品級(jí)為2.7～5.5V；一組封裝芯片內(nèi)有兩個(gè)數(shù)字電位器，參見(jiàn)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(shí)將數(shù)據(jù)很好地保存，上電時(shí)自動(dòng)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(guò)I2C總線進(jìn)行讀寫(xiě)操作；電位器滑動(dòng)端（VW0／RW0，VW1／RW1）相當(dāng)于普通電位器中間抽頭，是無(wú)摩擦“觸點(diǎn)”。

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(jì)需求來(lái)選型。每一個(gè)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(gè)X9221器件。器件內(nèi)部有兩組類(lèi)型的寄存器“DATA”和“WCR”，他們的訪問(wèn)則由串行數(shù)據(jù)線上的命令字來(lái)確定。電阻陣列通過(guò)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(dòng)到另一端；所有的寄存器都可以通過(guò)I2C總線進(jìn)行雙向操作，即可讀可寫(xiě)。

“在線”實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)電位器“中間抽頭位置”可以有3種方法：通過(guò)I2C總線向WCR寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)（串行加載）、通過(guò)對(duì)相應(yīng)的DATA類(lèi)寄存器直接寫(xiě)數(shù)據(jù)（并行加載）、以及增量減量命令（下面會(huì)討論到）直接寫(xiě)數(shù)據(jù)；概念上電位器“中間抽頭位置”可以由“WCR”寄存器來(lái)替代，其另一類(lèi)寄存器可以由“DATA”寄存器來(lái)替代。

2.2數(shù)字電位器I2C總線時(shí)序及指令

2.2.1一般I2C總線通信時(shí)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(jì)的，因此，硬件連接非常簡(jiǎn)單，只需把串行時(shí)鐘線SCL、串行數(shù)據(jù)線SDA與之對(duì)應(yīng)相連即可。其通信完全符合I2C總線協(xié)議要求，串行時(shí)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(jiàn)圖2 I2C總線通信時(shí)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(shuō)對(duì)其寄存器的讀寫(xiě)操作都受控于主機(jī)，這一點(diǎn)一定要在硬件和軟件設(shè)計(jì)上留意。當(dāng)主機(jī)發(fā)出“START”信號(hào)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(gè)字節(jié)后再由從機(jī)（X9221A）芯片自動(dòng)拉低SDA線，表明數(shù)據(jù)收到，如果此時(shí)從機(jī)將SDA線拉不低，表明從機(jī)沒(méi)有正常接受數(shù)據(jù)，主機(jī)必須啟動(dòng)下一個(gè)寫(xiě)周期?？梢岳斫鉃橹鳈C(jī)每發(fā)送一個(gè)字節(jié)后都會(huì)等待一個(gè)ACK回答響應(yīng)信號(hào)，否則，主機(jī)認(rèn)為從機(jī)（X9221A）沒(méi)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(shuō)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(gè)步驟：①通過(guò)數(shù)據(jù)線寫(xiě)從機(jī)地址；②寫(xiě)指令；③寫(xiě)數(shù)據(jù)。才能完成一個(gè)寄存器的讀或?qū)?，這4種指令適用于X9221三字節(jié)時(shí)序格式操作。如果是寫(xiě)在WCR類(lèi)型的寄存器中，掉電后數(shù)據(jù)丟失，寫(xiě)在DATA類(lèi)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(gè)步驟：①通過(guò)數(shù)據(jù)線寫(xiě)從機(jī)地址、②寫(xiě)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(shí)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(wèn)WCR類(lèi)型寄存器，且只是寫(xiě)操作，如果數(shù)據(jù)線SDA保持高電平，下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)SCL周期到來(lái)，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(gè)時(shí)鐘信號(hào)SCL周期到來(lái)，WCR寄存器數(shù)據(jù)“-1”。然而，不管哪種命令，只要寫(xiě)DATA類(lèi)型的寄存器（芯片內(nèi)的E2ROM存儲(chǔ)單元），寫(xiě)操作要花費(fèi)大約10 ms時(shí)間才能完成，在設(shè)計(jì)通信軟件時(shí)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(jì)

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(jiǎn)單，只需將所有設(shè)備串行數(shù)據(jù)線SDA、串行時(shí)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(gè)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(shí)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。主機(jī)發(fā)送模式就是向其中一個(gè)外設(shè)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，首先產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)“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(gè)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(xiě)的過(guò)程。主機(jī)接收模式也是一樣的，過(guò)程類(lèi)似。對(duì)X9221來(lái)說(shuō)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(guò)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(gè)設(shè)備沒(méi)有加電，總線將處于不正常工作狀態(tài)。在總線上有幾個(gè)設(shè)備同時(shí)欲將發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)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(qǐng)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(shí)鐘頻率，通過(guò)SCL信號(hào)“線與”來(lái)保證，即高電平為高電平中最短的，低電平為低電平中最長(zhǎng)的，也就是說(shuō)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(wú)法定義，這在設(shè)計(jì)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(jì)

下面是一個(gè)通過(guò)查詢由atmega16單片機(jī)向X9221發(fā)送數(shù)據(jù)的例程，在這個(gè)例程中需要注意的是TWINT標(biāo)志利用軟件寫(xiě)“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(dòng)將TWINT標(biāo)志置“1”，TWINT標(biāo)志是不能通過(guò)硬件清零的；每次通過(guò)檢查T(mén)WINT標(biāo)志判斷當(dāng)前發(fā)送是否完成，通過(guò)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(méi)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(wú)效位

CPI R16，$08：檢查“START”信號(hào)是否發(fā)送成功

BRNE ERROR；“START”信號(hào)發(fā)送未成功，轉(zhuǎn)入出錯(cuò)處理

LDI R16，$56；發(fā)送X9221器件地址56=“5”器件標(biāo)識(shí)，“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(cuò)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(lèi)似于上述循環(huán)繼續(xù)

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

OUT TWCR，R16

ERROR：···；出錯(cuò)處理過(guò)程

END

在此例程中，器件的地址對(duì)X9221來(lái)說(shuō)為56，其中“5”是器件本身固有的以區(qū)別于其它類(lèi)型的設(shè)備，而“6”是設(shè)計(jì)硬件時(shí)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(shí)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(huì)顯得簡(jiǎn)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(qǐng)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(gè)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(zhuān)用設(shè)備一些應(yīng)用研究

4.1用于測(cè)量微小電壓變化

圖4是微小電壓測(cè)量電路模型，用于芯片鍵合設(shè)備中去檢測(cè)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(gè)小芯片時(shí)，如果芯片較透明，光敏傳感器檢測(cè)出來(lái)的電壓變化較小，一般在10～50 mV間；同樣當(dāng)吸頭吸附一個(gè)小芯片時(shí)，氣路真空的壓力也會(huì)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(cè)輸入電壓相匹配，計(jì)算機(jī)通過(guò)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(jí)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(jì)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(shí)，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(guò)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(shí)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(shí)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(cè)量微小電流變化

圖5是微小電流測(cè)量電路模型，用于引線鍵合設(shè)備中去檢測(cè)斷線、連線、短路等情況，被測(cè)器件是一個(gè)半導(dǎo)體元件，當(dāng)在焊盤(pán)上鍵合上一根金線時(shí)，通過(guò)檢測(cè)漏電流來(lái)判斷這條金線與芯片鍵合過(guò)程中是否存在“斷線”、“連線”、“短路”等情況。計(jì)算機(jī)通過(guò)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(cè)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(hào)源的輸出為Us，運(yùn)放LM324輸出為U0，X9221電阻為Rx，被測(cè)元件阻抗為Rz，被測(cè)元件流過(guò)的漏電流為I0，則用以下兩個(gè)表達(dá)即可表達(dá)它們之間的關(guān)系：

通過(guò)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(guò)被測(cè)器件的最大允許電流，從而保護(hù)了被測(cè)器件不會(huì)因?yàn)闄z測(cè)漏電流而損壞，通過(guò)檢測(cè)被測(cè)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(cè)金線是否與被測(cè)器件焊盤(pán)點(diǎn)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(chǎng)合的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

可編程數(shù)字電位器的最大優(yōu)點(diǎn)在于直接可以和帶有I2C總線單片機(jī)相連而無(wú)需特殊設(shè)計(jì)，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(diǎn)，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(jiǎn)單。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)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(lái)越高，由于大多數(shù)自動(dòng)化設(shè)備上，都具有友好的人機(jī)界面，人們通過(guò)計(jì)算機(jī)界面想完成所有操作，比如調(diào)節(jié)一個(gè)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(guò)界面完成。適時(shí)采用可編程數(shù)字電位器不但可以降低成本、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、提高可靠性，而且可以使設(shè)計(jì)更加人性化。另外，AVR單片機(jī)可以通過(guò)JTAG接口完成仿真調(diào)試、下載程序；片內(nèi)有FLASH和E2ROM存儲(chǔ)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(yǔ)言編程，便于掌握C語(yǔ)言者無(wú)需太多地了解硬件就能進(jìn)行一些編程。