2 X9221系列数字电位器介绍
2.1电气特性及硬件结构原理
X9221系列电位器共有15种规格型号，有双列直插DIP20和表面贴装SOIC20两种封装。电源电压民品级、工业级为4.5～5.5V，军品级为2.7～5.5V；一组封装芯片内有两个数字电位器，参见图1，X9221系列电位器封装及引脚功能。内置的E2ROM单元，可以在掉电时将数据很好地保存，上电时自动加载到自己的RAM单元，电位器接口是标准的I2C总线，其中的数据寄存器可通过I2C总线进行读写操作；电位器滑动端(VW0／RW0，VW1／RW1)相当于普通电位器中间抽头，是无摩擦"触点"。
X9221系列电位器总电阻配置有3种阻值2 kΩ、10kΩ、50kΩ，用户可根据自己的设计需求来选型。每一个芯片有A0～A3四位二进制编程的器件地址以区分I2C总线上接入的不同外设，因此，一条总线上最多可接入16个X9221器件。器件内部有两组类型的寄存器"DATA"和"WCR"，他们的访问则由串行数据线上的命令字来确定。电阻阵列通过内部编码可以有64种状态，0～63种状态的连续变化，相当于电位器中心抽头从普通电位器的一端滑动到另一端；所有的寄存器都可以通过I2C总线进行双向操作，即可读可写。
"在线"实时的调节电位器"中间抽头位置"可以有3种方法：通过I2C总线向WCR寄存器写数据(串行加载)、通过对相应的DATA类寄存器直接写数据(并行加载)、以及增量减量命令(下面会讨论到)直接写数据；概念上电位器"中间抽头位置"可以由"WCR"寄存器来替代，其另一类寄存器可以由"DATA"寄存器来替代。
2.2数字电位器I2C总线时序及指令
2.2.1一般I2C总线通信时序
X9221系列数字电位器其接口是按标准的I2C总线设计的，因此，硬件连接非常简单，只需把串行时钟线SCL、串行数据线SDA与之对应相连即可。其通信完全符合I2C总线协议要求，串行时钟线SCL、串行数据线SDA按照规定的协议产生一序列脉冲串，进而完成传输一组数据的任务。参见图2 I2C总线通信时序。
X9221系列数字电位器完全以从机的身份出现在I2C总线上，它不可以主机的身份出现在I2C总线上，也就是说对其寄存器的读写操作都受控于主机，这一点一定要在硬件和软件设计上留意。当主机发出"START"信号后，从机(X9221A)芯片即将拉高SDA线，表明放弃数据线权限由主机控制，主机发送一个字节后再由从机(X9221A)芯片自动拉低SDA线，表明数据收到，如果此时从机将SDA线拉不低，表明从机没有正常接受数据，主机必须启动下一个写周期。可以理解为主机每发送一个字节后都会等待一个ACK回答响应信号，否则，主机认为从机(X9221A)没有正常接收数据。
2.2.2 X9221指令表
表1是X9221所有指令说明，其中前4种指令的正常执行需要在串行数据线上至少有3个步骤：①通过数据线写从机地址；②写指令；③写数据。才能完成一个寄存器的读或写，这4种指令适用于X9221三字节时序格式操作。如果是写在WCR类型的寄存器中，掉电后数据丢失，写在DATA类型的寄存器中，掉电后数据存在其中；全局转换的4种指令的正常执行需要在串行数据线上至少有2个步骤：①通过数据线写从机地址、②写指令，才能完成所有寄存器之间的数据交换，适用于X9221两字节时序格式操作；最后一种"+／-"指令相当于"在线"上下调节电位器中间抽头，比较直观，很好理解。"+／-"指令仅访问WCR类型寄存器，且只是写操作，如果数据线SDA保持高电平，下一个时钟信号SCL周期到来，WCR寄存器数据"+1"。如果数据线SDA保持低电平，下一个时钟信号SCL周期到来，WCR寄存器数据"-1"。然而，不管哪种命令，只要写DATA类型的寄存器(芯片内的E2ROM存储单元)，写操作要花费大约10 ms时间才能完成，在设计通信软件时一定要特别留意。
3 AVR系列单片机与数字电位器硬件和软件设计
3.1 X9221数字电位器与AVR系列单片机硬件接口
X9221数字电位器与AVR系列单片机硬件接口如图3所示。硬件连接非常简单，只需将所有设备串行数据线SDA、串行时钟线SCL相连接并接10 kΩ左右的上拉电阻即可。连接在I2C总线上的逻辑电平为"线与"逻辑关系，只要有一个设备将其拉低，总线上即出现低电平，当所有设备总线都悬挂起时呈现高阻状态。主机发送模式就是向其中一个外设写入数据，首先产生一个启动信号"START"，"START"发送成功后才向外设发送设备地址，地址发送成功后，再发送数据，数据可以是1～N个字节，所有数据发送完成，最后发送"STOP"完成主机写的过程。主机接收模式也是一样的，过程类似。对X9221来说地址发送完成后，必须发送指令模式，告诉X9221目前将做什么，指令的含义上面已提到，指令模式后是一组数据，其它过程一样。
为了使I2C总线处于正常状态，所有总线上的设备必须加电，如果有一个设备没有加电，总线将处于不正常工作状态。在总线上有几个设备同时欲将发送数据时，竞争中某主机发现仲裁失败后，应立即回到从机状态或放弃总线请求，保证获取总线控制权的主机正常发送数据；不同的主机有不同的总线时钟频率，通过SCL信号"线与"来保证，即高电平为高电平中最短的，低电平为低电平中最长的，也就是说协议"照顾"了速度最慢的设备；集结在总线上所有的传送必须包含相同数目的数据包，否则，多主机系统中仲裁结果无法定义，这在设计上要特别注意。
3.2 X9221数字电位器与AVR系列单片机通信软件设计
下面是一个通过查询由atmega16单片机向X9221发送数据的例程，在这个例程中需要注意的是TWINT标志利用软件写"1"进行清零(清除硬件置位标志)，而当前发送完成后由硬件自动将TWINT标志置"1"，TWINT标志是不能通过硬件清零的；每次通过检查TWINT标志判断当前发送是否完成，通过读取状态寄存器TWSR的值判断发送的数据是否正确。
START：
LDI R16，$A4；设置AVR单片机I2C总线控制寄存器
OUT TWCR，R16；软件清除TWINT标志WAIT1：
IN R16，TWCR；读取控制寄存器TWCR
SBRS R16，7；等待硬件置位TWINT标志
RJMP WAIT1；TWINT标志没置位，循环检查等待
IN R16，TWSR；读取状态寄存器TWSR
ANDI R16，$F8；屏蔽无效位
CPI R16，$08：检查"START"信号是否发送成功
BRNE ERROR；"START"信号发送未成功，转入出错处理
LDI R16，$56；发送X9221器件地址56="5"器件标识，"6"器件地址
OUT TWDR，R16
LDI R16，$84
OUT TWCR，R16；软件清除TWINT标志
IN R16，TWSR
ANDI R16，$F8
CPI R16，$18；检查X9221器件地址是否发送成功
BRNE ERROR；X9221器件地址发送未成功，转入出错处理
LDI R16，$2F；设置所发送的数据(0～63有效，例中为47)
OUT TWDR，R16；数据输出到数据寄存器TWDR
LDI R16，$84
OUT TWCR，R16；软件清除TWINT标志；检查数据"2F"是否发送完成，类似于上述循环继续
.
.
LDI R16，$94；发送"STOP"信号，一次'$2F'数据发送完成
OUT TWCR，R16
ERROR：···；出错处理过程
END
在此例程中，器件的地址对X9221来说为56，其中"5"是器件本身固有的以区别于其它类型的设备，而"6"是设计硬件时规定的，可以是"0～F"任何十六进制数值；例程中AVR单片机仅作为主机使用且向X9221发送数据，其实从X9221中读取当前数据也是一样的。本例程采用查询方式，程序显得繁琐，但是如果采用中断方式的话，程序就会显得简单多，只要标志SREG寄存器中"I"位和I2C总线控制寄存器中的"TEWIE"置"1"，即中断使能有效，当"TWINT"标志置"1"立即产生中断请求，表明完成当前数据发送完成，可以准备下一个字节数据发送或停止发送等操作。
