MSP430F449的数字电位器分压功能设计

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　　MSP430单片机具有丰富的外围模块，如MSP430F449就包含8组I/O端口、精密模拟比较器、硬件乘法器、串行通信可软件选择UART/SPI模式等。在实际的应用中，USART接口具有极佳的通用性，出于扩展接口的目的，往往通过软件模拟SPI，以获得更多的SPI接口。本文就是通过软件模拟实现了SPI通信，来驱动和控制数字电位器的。数字电位器也称为数控电位器，是一种用数字信号控制阻值改变的器件。数字电位器与机械式电位器相比，具有可程控改变阻值、耐震动、噪声小、寿命长、抗环境污染等优点，因而在自动控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等许多领域得到成功应用。
1　SPI概述
　　串行外围设备接口SPI（Serial Peripheral Interface）总线技术是一种同步串行接口，其硬件功能很强，所以与SPI有关的软件相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。SPI总线上可以连接多个可作为主机的MCU，装有SPI接口的输出设备、输入设备（如液晶驱动）以及A/D转换等外设，也可以简单连接到单个TTL移位寄存器的芯片。总线上允许连接多个设备，但在任一瞬间只允许一个设备作为主机。串行模块工作在SPI模式，通过4线（SOMI、SIMO、SCK及STE）或者3线（SOMI、SIMO、SCK）同外界通信：
SOMI——串行数据输入（从出主入）。
SIMO——串行数据输出（主出从入）。
SCK——串行移位时钟。
STE——从机模式发送/接收允许控制信号。
　　数据的传输由SCK决定，数据可以在SCK的上升沿或者下降沿输出。因为SPI接口定义具有很大的灵活性，因此导致各个厂商带有SPI接口的芯片在工作时序上并不一致，所以使用时要注意芯片SPI接口工作时序的差别。
2　数字电位器构成及应用说明
　　本文用到的是MCP4251数字电位器，该电位器是双电阻网络的，MCP4251器件框图如图1所示。



图1　MCP4251器件框图
　　利用该器件可以构造一些线性的函数，这些函数可以用抽头和接线端B之间的电阻来表示。数学模型为：



　　该器件支持SPI串行协议。该SPI以从模式工作，最多使用4个引脚。这些引脚是CS（片选）、SCK（串行时钟）、SDI（串行数据输入）、SDO（串行数据输出）。图2给出了典型的SPI接口。



图2　SPI接口
　　MCP4251的SPI模块支持两种标准的SPI模式，分别是模式00和11。SPI模式由SCK引脚的状态决定。在模式00下，SCK空闲状态=低电平，数据在SCK的上升沿从SDI引脚传入，在SCK的下降沿从SDO引脚传出。在模式11下，SCK空闲状态=高电平，数据在SCK的上升沿从SDI引脚传入，在SCK的下降沿从SDO引脚传出。图3给出了两种模式下的SPI波形。



图3　SPI波形图
　　在每种模式下，都有4个可能的命令。8位命令（递增抽头和递减抽头命令）中包含命令字节，而16位命令（读数据和写数据命令）中包含命令字节和数据字节。命令字节中包含两个数据位。图4给出了通用SPI命令格式。



图4　SPI命令格式
3　MSP430软件模拟SPI串口的实现
　　本文采用MSP430F449单片机的I/O口模拟SPI通信，选用SCK下降沿输出、上升沿输入的SPI三线接口类型。定义单片机MSP430F449的P3.4端口为输出MOSI,P3.5端口为时钟信号SCK,P3.7端口为片选输入CS，P4.0端口为输入MISO。在P3.5下降沿时，输出数据data的高位,然后把P3.5的电压拉高，data中的数据依次右移1位，再将P3.5的电平拉低，再次输出data的高位，实际这时输出的是原来data中的次高位，data如此重复右移8次就完成了1个字符的输出。实现该功能的代码如下：
for(i=0;i<8;i++){
P3OUT &=~BIT5;//P3.5输出0，制造时钟的下降沿
if(data & BIT7)//发送data的高位
P3OUT |=BIT4;//P3.4输出1
else
P3OUT &=~BIT4;//P3.4输出0
P3OUT |=BIT5;//制造时钟的上升沿
data <<=1;//data中的数据右移
}
　　同理，把P3.5的输出电平拉高，制造时钟的上升沿，检测输入引脚P4.0的电平，将其记入data中，再将P3.5的输出电平拉低，这时就接收好1个字符位了，然后将data接收到的字符位右移1位，准备继续接收字符下一位，如此重复8次后就收到1个完整的字符，代码如下：
for(i=0;i<8;i++){
P3OUT |=BIT5;//SCK上升沿
if(P4IN& BIT0) {//判断收到的电平信号
data <<=1;
data=data+BIT0；
}
else
data <<=1;
P3OUT &=~BIT5;//SCK下降沿
}
　v如果是选用SCK下降沿输入、上升沿输出的SPI接口类型，只需要把上面接收和发送程序中SCK的上升沿和下降沿交换即可满足时序要求。模拟串口通信的代码简单，灵活性强，可以在具体的SPI读写程序中实现其硬件接口的功能。1个SPI的时钟周期就是执行上述模拟串口指令所需要的时间，因此其串口速率主要由系统时钟来决定，提高系统时钟频率能够进一步提高SPI串口的传输速率。
4　MSP430模拟SPI驱动数字电位器实例



图5　引脚连接图
　　图5为芯片与单片机连接的引脚连接图。片选CS在低电平时有效。按照时序图和引脚连接图，首先需要定义MSP430F449的I/O端口，P3.4为MOSI，P3.5为SCK，P3.7为CS，P4.0为MISO。
　　由于使用MSP430F449的I/O模拟串口通信，没有使用中断函数，只需要调用一个子函数就能实现其功能，因此在操作上相比硬件而言更加简单。下面给出了写数据命令和递增命令的子函数。
void SPI_write_command(char *buffer,int cnt) {//写数据命令子函数
char data;
int i,j;
for(j=0;j<2;j++) {
data=buffer[j];
for(i=0;i<8;i++) {
P3OUT &=~BIT5;
if(data & BIT7)
P3OUT |=BIT4;
else
P3OUT &=~BIT4;
P3OUT |=BIT5;
data <<=1;
}
}
}
void SPI_inc_command(char value){//递增抽头命令子函数
char data;
int i,j;
while(1){
P3OUT &=~BIT7;
while((P3OUT &=BIT7)==0){
data=value;
for(i=0;i<8;i++){
P3OUT &=~BIT5;
if(data & BIT7)
P3OUT |=BIT4;
else
P3OUT &=~BIT4;
P3OUT |=BIT5;
data <<=1;
}
P3OUT ^=0x80;
}
for(j=0;j<30000;j++);//软件延时
}
}
　　在主程序中进行初始化及调用两个子函数：
void main(void){
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//停止看门狗
P3DIR=0xB0;//用P3口模拟SPI通信
Char command0[2]={0x41,0xf8},//初始化TCON寄存器命令字节
command1[2]={0x10,0x00};//初始化易失性抽头1命令字节
char command2=0x14;//初始化抽头1递增命令
P3OUT &=~BIT7;
SPI_write_command(command0,2);//调用写数据函数
P3OUT |=BIT7;
P3OUT &=~BIT7;
SPI_write_command(command1,2);
P3OUT |=BIT7;
SPI_inc_command(command2);//调用递增函数
}
　　此程序通过MSP430开发工具IAR Embedded Workbench编译、运行，并下载程序运行。由于此程序是控制电阻网络1的，通过万用表来测电阻网络1的抽头和B端之间的电阻变化情况，可以看到电阻呈增长变化。由此可以看出程序是可执行的，而且达到了预期的效果。然后在两端加上电压，可以发现所分的电压也呈现增长趋势，实现了良好的分压功能。表1为电压表显示的部分读数。
表1　电压表部分读数



结语
　　本文描述了MSP430F449单片机模拟SPI通信接口的实现，并用模拟SPI接口与电位器之间实现了很好的通信，给出了在IAR编译环境下编写的控制程序，控制电位器抽头的移动规律。实验表明系统能够很好地实现电位器的分压功能。利用数字电位器可以模拟一些线性函数的变化趋势，建立数学模型来模拟现实生活中的一些物理量的变化情况。此外该功能函数的结构简单，可靠性高，该方法同样适用于其他类型单片机。
参考文献
[1] 沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
[2] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3] 张经爱,许凯华,刘玉华.基于MSP430的模拟SPI串口通信的实现[J].计算机工程与设计,2008,29(5):11691171.
[4] Microchip Technology Inc. MCP413X/415X/423X/425X data sheet,2008.
王若男（硕士研究生），研究方向为嵌入式系统研究及应用；韩进（教授），主要研究领域为智能控制、信息融合、智能预测等。

李小路

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