嵌入式|蓝桥杯STM32G431（HAL库开发）——CT117E学习笔记11：数字电位器MCP4017

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前言

一、电路原理

二、程序设计

三、ADC采样分压电压

前言

数字电位器MCP4017本质是一个IC器件，也就是说它是一个集成芯片，而板子上的蓝色旋转电位器R37、R38本质是一个电阻。数字电位器本质是一个芯片，但是内部有一个电阻网络，通过很多模拟开关来给电阻网络切换不同的阻值，我们是通过之前介绍过的I2C总线来给芯片发送数据，告诉芯片我要打开哪些模拟开关，从而控制它的阻值。

一、电路原理

首先我们看一下MCP4017，首先1号管脚接3.3V，2号管脚接GND，3、4管脚是I2C的通讯线，最重要的是5、6，数字电位器W、B两个管脚，5脚相当于是一个可变电阻的一端，另一端是悬空的，6脚相当于是可变电阻的滑片。

我们假设W滑到最左边，则5、6之间的电阻 $R_{WB}$ 就等于AB之间整个电阻的总值 $R_{AB}$ ，如果滑到AB的中点，那么 $R_{WB}$ = $\frac{1}{2}$ $R_{AB}$ ，如果滑到B端，那么 $R_{WB}$ 就约等于0。需要注意的是，芯片内部并不是这样的结构，而是一堆模拟开关实现了这样的功能。因为模拟开关本身是有阻值的，所以也会存在一些误差。

这个电位器的型号是104ELT(原理图可见)，也就是说最多有10*10^4欧姆的电阻可调，即100kΩ。

那么我们看电路图，W端接了一个10k的电阻接到3.3V，B端接地，很容易看出这是一个分压电路，那么我们很容易可以算出W端的电位： $V=3.3\cdot \frac{R_{WB}}{R_{WB}+10}$ 。而这个分压的电压V是接到了单片机的PB14这个口，PB14在STM32上也是一个ADC的输入口，所以我们可以通过ADC来采集这个电压的分压情况，从而可以知道WB之间的阻值变化。当然我们也可以设置好一个阻值，然后通过ADC来确认它的电压。

通过对这个电路的分析我们可知，我们实际上就是通过一个10k的电阻与一个数字电位器分压来得到PB14口的模拟输入。

那么我们接下来简单了解一下MCP4017这个芯片。可以看到它是一个7bit的支持IIC总线的数字电位器，并且拥有可变内存。SC70是它的封装。401系列还有4018、4019，其中4018一般用于分压器，4017、4019一般用于可变电阻，具体的我们就不去了解了。

7bit是指它的电阻网络有7个位可以配置，也就是可以配置一共127个不同的阻值。因为总阻值是100kΩ，那么我们就可以把100k分成127个档。
抽头的电阻是100Ω，也就是说如果把WB短接，那也有100Ω的阻值（几乎可忽略）。
低温漂：可变电阻的温漂是50ppm（百万分之50）。
用IIC协议来读写。
掉电时WB的电压不能超过1.5V。
不编任何程序的话，它默认上电就是中间电压（50kΩ）。
低功耗（2.5微安）
电压工作范围：2.7V-5.5V。

还有一点就是芯片的存储形式是RAM，也就是说每次掉电都会清空，这就是为什么要规定默认上电时要中间电压。

除此之外比较重要的就是MCP4017的器件地址:0101111，还有一个R/W位，如果是写入的话，R/W就是0，加上器件地址就是01011110，即0x5e，如果是读就是0x5f。

我们再看一下内部的电阻网络是怎么构成的。可以看到电阻网络还是挺简单的，我们甚至可以自己用电阻加模拟开关来构成一个类似的电路，当然，芯片帮我们集成好了用起来更方便。

可以看到每个Rs的电阻上都加了一个开关，每个开关上都有一个数，也就是说我们每往上增加一个数，就会增加一个Rs的电阻。Rs一共有127个，加起来等于100kΩ，这样我们可以算出Rs的值应该是0.7874kΩ。比方说：如果控制字节是0x7F，那么电阻就是100kΩ，如果控制字节是0x3F，就是中间位，即50kΩ，如果控制字节是0x00，那么电阻就是0（实际上是100Ω）。

二、程序设计

我们可以利用I2C总线控制数字电位器芯片的电阻值，与R17的10kΩ形成分压，这样PB14的电位就会发生相应的变化，再用ADC来进行读取。

这里我们先看一下怎么编程STM32来改变MCP4017的阻值。

程序流程：

复制i2c的底层驱动文件到“编程工程”并改名
在main.c调用i2c的IO初始化代码并包含头文件
在i2c.c文件里编程：读写MCP4017函数，并在i2c.h中声明
在main.c调用MCP4017_Write和MCP4017_Read完成程序

其中重点是MCP4017读写函数的编写，其他的部分我们在EEPROM里面已经做过了就不赘述了。我们这里主要看一下怎么编写MCP4017读写函数。下图是厂商芯片资料给的如何写一个字节数据的示例。

主器件就是我们的STM32，首先要发一个Start起始命令，然后发送从器件的地址+一个R/W位，因为是写数据，所以R/W位是0，所以是0x5E。然后等待应答。完成后，我们要送一个数据给MCP4017，送的数据就是我们要控制它的电阻的大小，它是一个7bit的控制字，就是0-0x7F的控制范围。主设备把这个字节发送过去，第一位用不到所以丢弃。然后等待应答。最后主器件再发一个终止命令STOP。

根据这个图我们很容易就可以写出MCP4017_Write()函数：

void MCP4018_Write(u8 val)
{
    I2CStart();
    I2CSendByte(0x5E);
    I2CWaitAck();

    I2CSendByte(val);
    I2CWaitAck();
    I2CStop();
}

读取函数我们一般用不到，因为我们只需要写入控制它的阻值就行了，并不需要读取现在阻值多少。比赛的时候也几乎很少遇到，但是最好还是学一下，也可以通过读取函数来判断是否成功写入，防止数据干扰。比方说可以写完之后读取一下，判断写的对不对，如果不对就再写一次。但是比赛中不需要这样。

u8 MCP4017_Read(void)
{
    u8 val;

    I2CStart();
    I2CSendByte(0x5F);
    I2CWaitAck();

    val=I2CReceiveByte();
    I2CSendNotAck();
    I2CStop();

    return val;
}

还有一点就是，MCP4017两次写入之间是不需要延时的，不同于EEPROM。

三、ADC采样分压电压

MCP4017的W端接了一个PB14的管脚，并接在了ADC1的输入口上，所以我们可以用PB14来采样分压电压。

进入CubeMX开始配置引脚。可以看到PB14可以设置为ADC1的5通道，与PB12共用一个ADC，但是通道不同。我们把它设置为单端模式直接采集电压就行了。如果这部分内容还不清楚的话可以翻到之前的内容看一下ADC的讲解。

我们需要注意的是，ADC1现在有两个通道，那我们怎么告诉STM32现在要采集哪个通道呢？这边就有一个内容要在CubeMX上配置的，在ADC1的Configuration中有一个Number of Conversion也就是ADC转换的数量，这里要改成2。改完后下面有个Rank就自动变成2个了，并自动打开Scan conversion mode扫描转换模式，它会先转换一个通道的输入后再去转换另一个通道，转化的顺序就是由Rank决定，Rank1就是第一个被转换的通道，我们可以在Rank里面选择，并且这里我们可以调整它的采样速度Sampling Time(采样时间)。注意，多通道采集的时候，采样速度最好不要太快，否则会容易出错，所以我们可以把采样速度调的慢一点，这里我们调640.5个周期。

再把Rank1设置为通道5，Rank2设置为通道11。

生成代码，我们可以看到ADC1的初始化定义里面已经有了要转换的通道数量为2，和不同Rank对应的通道。

我们已经有了之前的ADC的程序，现在在此基础上增加ADC1通道5的内容。（如果没有的话就自己写一下，配置ADC的教程在前面有，写完记得初始化一下，有的时候程序写完了发现运行不对有可能就是忘了初始化）

我们定义一个变量volt_mcp来表示通过mcp采集到的电压值。

因为我们定义的Rank1是采集mcp，也就是先采集mcp再采集R37，所以我们是在采集R37的程序前面添加采集mcp的程序。

u16 adc1_val,adc2_val;
float volt_r37,volt_r38,volt_mcp;
void ADC_Process(void)
{
	//rank1
	HAL_ADC_Start(&hadc1);
	volt_mcp = HAL_ADC_GetValue(&hadc1)/4095.0f*3.3f;
	//rank2
	HAL_ADC_Start(&hadc1);
	adc1_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
	volt_r37 = adc2_val/4095.0f*3.3f;
	
	HAL_ADC_Start(&hadc2);
	adc2_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);
	volt_r38 = adc1_val/4095.0f*3.3f;
}

这样就完成了ADC1先采集通道5，再采集通道11的过程，需要注意的是，我们并不需要手动切换采集通道，只需要再调用一次HAL_ADC_Start()函数就可以自动切换通道了，这是因为我们之前配置了扫描转换，正因如此，我们在编写程序的时候一定要注意采样的顺序！

我们可以调用一下前面写好的MCP4017_Write()，然后写入0x3F，也就是中位点。设置好电阻后在主循环中调用ADC采样函数就可以看一下现在的分压电压了。

int main()
{
    MCP4017_Write(0x3F);
    while(1);
    {
        ADC_Process();
    }
}

我们可以写个LCD显示函数来看一下此时volt_mcp的值，这里就跳过了。显示出来的值应该是2.7左右。如果输入0x7F的话，输出应该是2.95左右。

如果之前没有现成的ADC程序的话，我们总结一下利用ADC1双通道采集的程序设计步骤：

用给的“模版”生成代码
设置ADC相关的GPIO为输入模式，并设置成单端模式。（PB15、PB12、PB14）
设置ADC1的转换的通道数（number of conversion）为2，并设置Rank和采集速度。
添加ADC相关的HAL库驱动文件
包含ADC的头文件，并初始化ADC（如果是移植代码的话要初始化外设时钟）
利用HAL_ADC_Start和HAL_ADC_GetValue编写程序（双通道要调用两次Start）

总结

这节课主要是学习如何使用MCP4017数字电位器，它需要通过I2C总线进行通信，利用I2C向其内部写入数据从而控制它的内部电阻大小，并且外部接了一个分压电路，并把分压电压作为ADC的输入采样，从而转化成数字量被我们读取。所以这一节的内容需要结合I2C总线和ADC这两部分内容一起来学习的。其中最重要的内容是MCP4017读写函数的编写和ADC的双通道采集这两部分内容，比赛时是需要自己编写的，需要牢记。此外，还需要记得ADC的采样Rank和采样速度。