数字电位器MCP41010在止鼾器中的应用

摘要：在设计的止鼾器恒流源电路中采用MCP41010数字电位器来改变恒流源对人体的刺激电流，从而可以根据人体对止鼾器刺激电流的适应程度适时改变电流的大小。在此介绍Microchip公司生产的MCP41010数字电位器的工作原理和主要特点，描述MCP41010的指令字格式。采用MCP41010作为恒流源电路的射极电阻，AVR单片机AT90S8535的I／O口与MCP41010相连接，单片机程序模拟MCP41010的SPI总线时序，从而达到改变阻值的目的。实验结果表明，使用MCP41010达到了很好的效果。
关键词：数字电位器；MCP41010；止鼾器；SPI总线；AT90S8535

0 引言
MCP41010是Microchip公司生产的一种集成数字电位器。它在单一芯片上集成一个10 kΩ数字电位器，电位器的滑动端共有256个离散的调节节点，并有一个8 b的E2PROM数据寄存器，直接控制滑刷在电位器上滑动端的位置。用户可以通过相应指令往数据寄存器写8位字，调节精度可达256。MCP41010芯片具有工业标准的SPI同步串口，可以实现寄存器操作，从而改变滑刷的位置。

1 MCP41010概述
MCP41010采用8引脚双列直插封装，其引脚排列如图1所示。其中PW0为电位器滑动端；PA0，PB0为电位器的两个终端；SCK，SI为SPI总线的串行时钟和串行数据线。MCP41010工作电压为2．7～5．5 V。上电复位时，数据寄存器自动设定为80H，滑动端PW0指向PA0与PB0的中间。

[p]
1．1 MCP41010的内部结构
MCP41010的内部结构如图2所示，从图2中可以看出，此芯片内含有：SPI总线接口、一个POT(电位器)。POT内有一个8 b滑刷控制数据寄存器。

1．2 MCP41010的控制方式
MCP41010具有SPI总线接口，采用简单的2 B指令结构。它的控制方式非常简单，可以采用SPI总线通信，也可以采用软件模拟SPI总线时序。

2 MCP41010的指令格式
MCP41010的指令非常简单，由两段组成(如图3所示)，每段均有一个字节：第一段为命令字节，第二段为数据。命令字节中第2，3位和6，7位为无效位，不用对其操作；C1，CO为指令选择位；P1，PO为电位器选择位，由于MC2P41010只集成了一个电位器，所以P1，P0必须设为01。在MCP41010中，C1，C0为Ol时为写数据指令；C1，CO为00或01时为空操作；Cl，CO为10对应关闭模式用于MCP42XXX系列数字电位器。在MCP41010中写命令字节通常为0xll，数据字段为8 b／s数据，可以置滑动端到256个端点中任何一个，因此精度非常高。

MCP41010的指令序列传输示意图如图3所示。先写命令字节再写数据字节。为数字电位器片选端，只有为低电平时，命令字和数据字才能进入16位移位寄存器。当出现上升沿时，移位寄存器的值进人数据寄存器，从而改变了电位器阻值。SCK为时钟线，数据在SCK的上升沿进入SI数据线。器件会在上升沿时自动监测低电平时SCK的脉冲数，也就是上升沿的个数，只有时钟数为16的倍数时，命令才能执行，否则命令失效。一个完整的MCP41010写时序包括以下几个部分：
(1)起始位。以为低电平，SCK出现上升沿为起始标志。
(2)传送MCP41010的命令字段。
(3)传送8 b的数据字段。
(4)停止位。以SCK为低电平，CS出现上升沿为SPI总线传输结束标志。

[p]

3 在止鼾器电路中的应用
在设计的止鼾器电路中，最后一级是恒流源电路，此电路主要是在刺激脉冲的作用下为人体电阻提供电流刺激，电流经刺激电极(贴在患者颏舌肌和支配颏舌肌的前表面)通过患者身体，以达到松弛颏舌肌，让患者气道通畅的目的。但是不同人对刺激电流的敏感程度不同，因此需要仪器在工作过程中不断调节恒流源电流的大小。于是在电路中使用了数字电位器MCP41010。
图4即为在止鼾器的恒流源电路中MCP41010与单片机AT90S8535的连接图。图4中运放U2A、三极管Q7以及MCP41010构成了恒流源电路。A，B两点是刺激电极接到人体中。此电路可以为不同人体提供恒流。MCP41010代替了机械电阻，它的PW0端与PA0端短接接地，PB0端接到横流电路中，通过它可以改变恒流的大小，增加或减小刺激人体的电流。

在电路中使用了AVR单片机AT90S8535的几个I／O引脚与MCP41010连接，模拟SPI总线时序，控制电位器的组织。单片机的PD5，PD4，PC7引脚分别与电位器的CS，SCK，SI脚相连。图5为单片机写MCP41010的子程序流程图。

[p]
单片机控制MCP41010的C语言程序如下：

4 结语
使用数字电位器的主要优势是定位精度高，不受机械振动影响，并可以通过程控来实现半自动化调节。使用数字电位器的缺点是不能连续调节，对于离散多档位调节场合，使用是非常方便的。数字电位器MCP41010调节精度达到256档，相比其他64档数字电位器，精度有了大大提高。此外，它采用SPI总线接口，只需2 B指令读写时序，并且在写完1 B指令后无需接收应答信号，给软件模拟时序带来极大方便，这是它的优势所在。但是MCP41010在一片芯片上只集成了一个电位器，使用资源较少，因此可以使用同系列的产品MCP42XX系列(内部集成4个电位器)。在阻值需要连续调节的场合可以采用以下措施：
(1)多芯片级联使用，以增加有效档位；
(2)两个数字电位器配合使用，一个作为粗调，一个作为细调，两者搭配，可以得出许多种适合不同需要的组合。