在智能化儀器的開發(fā)過程中，如何實現(xiàn)測量量程的在線轉換，一直是人們所關注的問題。通常的轉換方法是采用程控增益放大器，或者是多路輸入的形式，這必然以增加電路的復雜性和降低可靠性作為代價。因此，本設計方案的蓄電池監(jiān)控單元中采用了數(shù)字電位計X9241來實現(xiàn)測量量程的在線轉換。

       數(shù)字電位計X9241

       X9241的基本功能

       XICOR公司的X9241內(nèi)部集成了四個非易失性E2POT。其中每一個E2POT包含有63個電阻單元，一個滑動端計數(shù)寄存器(WCR)和四個可以由用戶讀出和寫入的8位數(shù)據(jù)寄存器?；瑒佣擞嫈?shù)寄存器的內(nèi)容用來控制滑動端在電阻陣列中的位置，并且可以和數(shù)據(jù)寄存器之間進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。

       X9241的通信規(guī)約

與工作時序

       X9241支持雙總線的定向規(guī)約，這一規(guī)約規(guī)定了向總線傳送數(shù)據(jù)時為發(fā)送器，而從總線接收數(shù)據(jù)時為接收器，在這一過程中，控制傳輸?shù)钠骷侵鳈C，而被控制的器件則為從機。在本方案中，啟動數(shù)據(jù)的傳輸以及提供時鐘等功能都由單片機提供，因此在這里X9241是一個從屬器件。

       對X9241進行一次成功的操作必須包括以下幾個步驟：

       起始條件：當SCL為高時SDA由高至低的跳變；

       應答：在主從器件的總線間提供一個握手信號，以表示數(shù)據(jù)接收成功。單片機在發(fā)送8位數(shù)據(jù)以后釋放SDA總線（置SDA為1），同時X9241將在第九個時鐘周期內(nèi)把SDA線拉低，作為成功的接收了前8位數(shù)據(jù)的響應；

       終止條件：當SCL為高時SDA由低至高的跳變。 具體的工作時序如圖1所示。

圖1 X9241的工作時序

       X9241與AT89C51接口

       由于常用的AT89C51系列處理器沒有I2C接口部件，與X9241的接口很不方便。仔細分析圖1的工作時序，可以通過通用I/O總線和一個定時器來模擬I2C總線的功能，即采用P1口的兩根線分別作為SDA和SCL總線，通過定時器1產(chǎn)生所需要的時鐘。具體電路連接如圖2所示。

圖2 X9241與AT89C51接口電路

       下面就以向滑動端計數(shù)寄存器寫入一次值的三字節(jié)指令為例，給出具體的程序：

       SCL BIT P1.6 
       SDA BIT P1.7 
       MAIN: 
       …… 
       MOV TMOD,#02H ；置定時工作方式2， 
       定時 
       MOV TH0，#0E8H 
       MOV TL0，#0E8H 
       SETB EA ；開中斷 
       SETB ET0 
       SETB TR0         SETB SCL ；開始一次操作 
       SETB SDA 
       CLR SDA 
       MOV A，#50H ；選擇從器件 
       ACALL WRTA 
       MOV A，#0C0H ；設置寫指令格式 
       ACALL WRTA 
       MOV A，#3FH ；為WCR賦值 
       ACALL WRTA 
    

   JNB SCL，$ ；結束本次操作 
       SETB SDA 
       CLR SDA 
       WRTA: MOV R2,#08H 
       WRTA0: JB SCL,$ ；等待時鐘信號上跳沿 
       RLC A ；將數(shù)據(jù)逐次送入數(shù)字電位器 
       MOV SDA, C 
       JNB SCL, $ 
       DJNZ R2, WRTA0 
       JB SCL, $ ; 等待數(shù)字電位器的接收應答 
       SETB SDA 
       JB SDA, $ 
       JNB SCL, $ 
       RET 
       INT: CPL P1.6 ；取反，產(chǎn)生所需時鐘信號 
       RETI 
       ……

       X9241在蓄電池監(jiān)控單元中的應用

       從理論上講，利用數(shù)字電位計可以實現(xiàn)任意量程的轉換。但由于模數(shù)轉換器精度的限制以及蓄電池監(jiān)控單元高實時性的要求，選取過多的轉換點反而會收到事倍功半的效果。通過試驗發(fā)現(xiàn)，只需要1：1，1：2，1：5，1：10，1：20，和1：50六種量程就可以保證輸入信號在模數(shù)轉換器的2/3量程附近，因此，在這里巧妙的利用了滑動端計數(shù)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)上述六種量程在線轉換。實現(xiàn)在線量程轉換的具體電路如圖3所示。具體的實現(xiàn)方法是：在兩個E2POT的R0中存儲值為01H，由于上電復位時滑動端計數(shù)寄存器會自動裝入R0中的值，因此初始化時，放大器為一跟隨器，當需要測量微弱電流時，根據(jù)初次采集得到的值，與事先設定的參考值進行比較，選擇合適的量程進行放大后重新采集。

圖3 在線量程轉換的實現(xiàn)電路

       結語

       實驗結果表明，用X9241實現(xiàn)測量量程的在線轉換非常方便。通過六種量程的實時在線調節(jié)，既簡化了電路的設計，同時又保證了數(shù)據(jù)采集的精度。但在試驗中發(fā)現(xiàn)，有時會在輸出端產(chǎn)生振蕩，造成輸出波形失真，解決方法是在放大器輸入和反饋端串聯(lián)兩個電阻，增加其到輸入端的衰減通道。