MSP430F449的数字电位器分压功能设计

    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。数字电化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(Scrial Pcriphcral Intcrfacc)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。

    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。

    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。

    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。

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如此重复有移8次就完成了1个宁符的输出。实现该功能的代码如下：
   

   

    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：
   

    如果是选用SCK下降沿输入、上升滑输出的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。

    在主程序中进行初始化及调用两个子函数：
   

   

    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。

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。