X9221数字电位器的应用

李学海X9221中文资料1下载(双非易失数字电位器)X9221中文资料2下载(双非易失数字电位器)美国XICOR公司新近研制出一种型号为X9221的功能独特的电子数控电位器。

X9221在一片CMOS集成电路内集成有2个非易失性数控电位器(E2POT)，其调节过程可以由微处理器(μP)或微控制器(μC)经二线总线接口进行控制。

这种二线接口数字电位器具有如下许多优点：(1)调节精度高；(2)不易受诸如振动、污染、潮湿等影响；(3)无机械磨损；(4)接口引脚少；(5)集成度高；(6)数据可读写；(7)具有配置寄存器及数据寄存器；(8)多电平量存储功能，特别适用于音频系统；(9)易于软件控制；(10)采用设计人员熟悉的I2C通信协议；(11)体积小巧，易于装配。

它适用于家庭影院系统、音频环绕控制、音响功放、有线电视设备等。

X9221内含滑动端计数寄存器(WCR)及数据寄存器。

它的每个E2POT可存储4个滑动端位置；每个电位器有64个抽头；温度范围分为民品级、工业级和军品级；工作电压Vcc则为4.5～5.5或2.7～5.5V。

内部结构X9221片内包含2个电阻阵列(或称电位器或E2POT)和I2C接口电路。

X9221的功能方框图如图1所示。

每个电阻阵列内又包含63个电阻单元、64个电子开关、一个滑动端计数寄存器(WCR)、4个8位数据寄存器(R0～R3)、递增/递减逻辑电路、级联控制逻辑电路以及64选1译码电路。

单个电阻阵列的结构框图如图2所示。

在相邻的两个电阻单元之间以及两个端点处共设64个可以被滑动端访问的抽头。

滑动端在阵列中的位置可由用户通过二线串行总线(I2C)接口控制。

每个电阻阵列配置一个滑动端计数寄存器和4个数据寄存器，这4个数据寄存器可以由用户程序直接写入和读出。

滑动端计数寄存器的内容控制滑动端在电阻阵列中的位置。

数据寄存器的内容可以传送到滑动端计数寄存器，以设置滑动端的位置。

当前滑动端的位置可以被传送到与它相关联的4个数据寄存器中的任何一个之中。

也就是说，WCR可以直接被写入，或者也可以把起辅助作用的4个数据寄存器之一的内容转移到WCR中来改变其内容。

这些数据寄存器和WCR都可以由微电脑来读出或写入。

X9221中的每一个电阻阵列的主体部分是63只串联连接的集成电阻器。

电阻串联支路的两端VH和VL就相当于一个机械电位器的两个固定端；串联支路中的电阻器之间的连接点以及两个端点，都可以经过场效应管开关连通到滑动端VW上。

在同一时刻只能有一只开关闭合，究竟哪一只闭合由滑动端计数寄存器WCR内容确定。

只有WCR中的低6位被译码，才能选择和使能64选1的开关接通。

引脚功能X9221共有20个外接引脚。

它有DIP、SOIC和TSSOP三种封装形式。

其引脚排列如图3所示。

各引脚的功能如表1所示。

表1 引脚功能串行总线和串行接口1.I2C串行总线协议I2C串行总线协议是由飞利浦公司开发的。

X9221兼容该协议。

该协议规定任何器件在它把数据送至总线时为“发送器”，而当它从总线接收数据时为“接收器”。

一个控制总线传送的器件为“主机或主器件”，而被总线控制的器件为“从机或从器件”。

主机总是负责启动数据的传送，并为发送和接收操作提供时钟。

X9221在所有的应用场合下均被作为一个从属器件(从机)使用。

2.时钟和数据协议在I2C串行总线中包括两条线，即串行数据线SDA和串行时钟线SCL。

在数据线SDA上的数据只能在时钟线SCL为低电平期间才能改变状态。

把在SCL为高电平期间改变SDA的状态保留用来表示一次传输的“开始条件”和“终止条件”。

3.开始条件送给X9221的所有指令都是由开始条件引导的。

这个条件就是，当SCL为高电平时SDA由高电平到低电平的跳变。

X9221不停地监视SDA和SCL线上的开始条件，在遇到这个条件之前不响应任何指令。

4.终止条件所有的通信过程过程必须由一个终止条件来结束，这个条件就是，当SCL为高电平时SDA由低电平到高电平的跳变。

5.应答应答也是一个软件规约，这个规约用来在主/从器件的总线之间提供一个握手信号，以表示数据接收成功。

发送器件(不论是主机还是从机)在发送8位数据之后将释放SDA总线。

主器件将产生第9个时钟周期，而在这个周期内接收器件把SDA线拉低，作为成功地接收了前8位数据的响应。

作为接收器件，X9221在识别出开始条件和自己的从地址以后，将给出一个应答作为响应，而成功地接收指令字节后再一次应答。

如果指令字节后面跟着一个数据字节，则X9221还将最终响应一次应答。

6.器件寻址在开始条件的后面，主器件必须输出它所要访问的从器件的地址。

从器件的高4位地址是器件类型识别码，器件的类型不同，识别码也就不同，并且识别码是固定不变的。

对于数控电位器X9221来说，这个识别码固定为0101。

格式如下：从器件的低4位是该器件的编程地址，该地址由A0～A3引脚的连接状态来定义。

借助于器件的编程地址，主机可以识别一个系统中类型相同的多个器件(在此可以识别16片X9221)。

每次通信的开始，X9221都把接收到的地址与自己的地址(含识别码和编程地址)相比较。

如果是所有的8位地址都相符，则X9221做出一个应答响应。

指令结构X9221共有9条指令，指令的长度为两个字节或三个字节不等。

每条指令的第一个字节为地址字节，第二个字节为指令字节。

在指令字节中又包含指令码和寄存器指针信息，即4个高位I0～I3是指令码；紧接着的两位0和P0选择2个电位器中的哪一个，最后两位R1和R0选择4个寄存器中的哪一个。

其格式为：9条指令中有4条是二字节指令，它们是以发送指令字节作结束的。

这些二字节指令实现在WCR与数据寄存器中的一个之间传送数据。

从一个数据寄存器到WCR的传输，实质上是对一个静态RAM的一次写操作。

滑动端对这些操作的响应将延迟一段时间tSTPWV。

记录当前滑动端位置的数据从WCR到一个数据寄存器的传输，实质上是对非易失性存储器的一次“烧”写操作，至少需要一个tWR时间才能完成。

这种传输操作可以发生在某一个电位器的WCR与一个相关数据寄存器之间，也可以发生在所有2个电位器的WCR与相应的一个数据寄存器之间。

9条指令中还有4条是三字节指令。

这些指令用于主机与X9221之间的数据传送。

数据可由主机传送到某一数据寄存器，也可直接传送到WCR中。

这些指令是：读WCR，即读出选定电位器的当前滑动端的位置；写WCR，即改变选定电位器的当前滑动端的位置；读数据寄存器，即读出选定的非易失性存储器的内容；写数据寄存器，即写一个新的值到选定的数据寄存器中。

三字节指令的最后一个字节均为数据字节。

9条指令中只有1条指令与众不同，称为递增/递减指令。

一旦该条指令被发送给X9221并且得到X9221用一个应答做出响应时，主机才能够以时钟来触发选定电位器的滑动端向上或者向下移动。

这样就为主机提供了一条精细调节电位器的途径。

当SDA为高电平时，每一个SCL时钟脉冲将使滑动端向高端VH移动一步；而当SDA为低电平时，每一个SCL时钟脉冲将使滑动端向低端VL移动一步。

表2 指令集注：1/0表示数据0或1；N/A表示没有使用。

9条指令的编码如表2所示。

工作原理2个E2POT电位器共享一个串行接口。

对每个电位器所包含的一个电阻阵列、一个滑动端计数寄存器和4个数据寄存器的操作，均通过该串口进行。

1.滑动端计数寄存器X9221片内共包含2个滑动端计数寄存器WCR，即每个电位器各有一个。

WCR可以看成是一个6位宽的、既能并行装载又能串行装载的、带有输出译码电路的计数器，用来控制与电阻阵列相连的64只电子开关。

WCR内容的改变有四种方法：由主机通过写WCR指令直接写入(串行加载)；通过传送指令把4个数据寄存器之一的内容直接写入(并行加载)；通过递增/递减指令一步一步地改变；在初加电时自动装载相关数据寄存器R0的值。

WCR是一个掉电丢失的存储单元RAM。

虽然，该寄存器在上电时自动复制R0的值，但必须注意这个值可能与断电时刻的值不同。

2.数据寄存器每个电位器配备的4个数据寄存器，是采用E2PROM制造工艺集成的非易失性存储单元。

这些寄存器可以由主机直接读出或写入，而且数据可以在4个数据寄存器中的任一个和WCR之间传送。

必须注意的是，对这4个寄存器中内容的修改操作，都是非易失性的写(或称烧写)操作，要花费最多10ms的时间。

由于写入过程较长，一般采用“应答轮询”方式。

当对非易失性存储单元E2PROM进行写操作时，表示指令传送结束的停止条件一旦出现，则X9221开始内部的写周期。

写周期的典型时间为5ms。

此后应答轮询立即启动。

这包含发送开始条件，并且后跟器件的从地址。

如果X9221仍然忙于写操作，则没有应答返回；如果X9221已经完成了一个写操作，将有一个应答返回，主机才可以继续下面的操作。

如果在一项具体应用中，不需要数据寄存器对电位器的多个位置数据保留时，这些寄存器还可以被用作通用的存储器单元，可用它们存储系统参数或用户数据等。

特性参数X9221是一个系列产品，其阻值的不同，可用以下3个字母作后缀来区分：X9221Y为2kΩ×4；X9221W为10kΩ×4；X9221U为50kΩ×4。

9221的极限参数、特性参数、直流参数、交流参数分别见表3～表6。

应用举例电路中，用一片X9221的两个电位器分别控制双声道立体声系统的左声道和右声道，以实现对传统音响设备的模糊控制、智能控制以及遥控。

控制器件选一片89C51单片机，仅用P1.0和P1.1两个端口与X9221的SDA和SCL相连。

通常在SDA和SCL线上需要设置上拉电阻，该阻值取决于连接到总线上的所有器件的总容量。

按图4中的情况，等效容量约为18pF。

如果所选用的单片机具有内部上拉电阻，则外部上拉电阻可以省略。

当应用系统中只有一片X9221时，其4位地址A0～A1引脚可以都连接到地，此时编程地址定义为0000。

表3 极限参数表4 特性参数表5 直流参数表6 交流参数。