基于AVR單片機(jī)串行口的研究

黃劍波

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001

引言

ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMO S微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。我們研究的對(duì)象主要是基于ATmega128的綜合開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，研究?jī)?nèi)容包括TWI接口與AT24C01的通信功能實(shí)現(xiàn)，USART接口與PC的通信功能實(shí)現(xiàn)，SPI接口控制相關(guān)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示的功能實(shí)現(xiàn)。

1 串行口功能概述

1.1 SPI接口概述

SPI總線是由MOTOROLA公司提出的一種同步串行外設(shè)接口。本次研究的開(kāi)發(fā)板采用的是4根信號(hào)線，即兩條控制信號(hào)線 （低電平有效）和SCLK以及兩條數(shù)據(jù)信號(hào)線SDI和SDO。

通過(guò)將需要的從機(jī)的 引腳拉低，主機(jī)啟動(dòng)一次通訊過(guò)程。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的移位寄存器。主機(jī)在SCK引腳上產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機(jī)通過(guò)將從機(jī)的 拉高實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的同步。

1.2 兩線串行接口TWI

TWI協(xié)議允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只用兩根雙向傳輸線就可以將128個(gè)不同的設(shè)備互連到一起。這兩根線一是時(shí)鐘SCL，一是數(shù)據(jù)SDA。外部硬件只需要兩個(gè)上拉電阻，每根線上一個(gè)。所有連接到總線上的設(shè)備都有自己的地址。TWI 協(xié)議解決了總線仲裁的問(wèn)題。

TWI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)只有在SCL線的時(shí)鐘信號(hào)時(shí)低電平時(shí)才能改變。

TWI總線協(xié)議規(guī)定，在SCL線是高電平時(shí)，SDA線從高電平向低電平切換表示其實(shí)條件；當(dāng)SCL是高電平時(shí)，SDA線由低電平向高電平切換表示停止條件。

發(fā)送到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須是8位。每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制，每個(gè)字節(jié)后跟一個(gè)響應(yīng)位（ACK）。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位。

1.3 通用同步和異步串行接收和轉(zhuǎn)發(fā)器 USART

USART分為了三個(gè)主要部分：時(shí)鐘發(fā)生器，發(fā)送器和接收器?？刂萍拇嫫饔扇齻€(gè)單元共享。時(shí)鐘發(fā)生器包括同步從機(jī)操作用來(lái)與外部輸入時(shí)鐘進(jìn)行同步的邏輯，以及波特率發(fā)生器。XCK ( 發(fā)送器時(shí)鐘)引腳用于同步發(fā)送模式。發(fā)送器包括單個(gè)寫緩沖器，串行移位寄存器，奇偶發(fā)生器以及處理不同的幀格式所需的控制邏輯。寫緩沖器可以保持連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)而不會(huì)在數(shù)據(jù)幀之間引入延遲。由于接收器具有時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)單元，它是USART 模塊中最復(fù)雜的?；謴?fù)單元用于異步數(shù)據(jù)的接收。除了恢復(fù)單元，接收器還包括奇偶校驗(yàn)，控制邏輯，移位寄存器和兩個(gè)接收緩沖器UDR。接收器支持與發(fā)送器相同的幀格式，而且可以檢測(cè)幀錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)過(guò)速和奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 TWI串口通信模塊的功能實(shí)現(xiàn)

對(duì)于TWI串口來(lái)說(shuō)，它所要實(shí)現(xiàn)的功能就是對(duì)AT24C01進(jìn)行訪問(wèn)，包括對(duì)指定單元寫入內(nèi)容0xaa,并將該單元內(nèi)容讀取。

（1）TWI通信初始化

在這一部分，我們采用了“twi_init(void)”函數(shù)以實(shí)現(xiàn)TWI通信的初始化。函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)是首先對(duì)TWI控制寄存器——TWCR進(jìn)行設(shè)置，將其所有比特位置為0，以禁止TWI。在這之后，對(duì)TWI比特率寄存器——TWBR設(shè)置比特率，設(shè)置為01100100.然后將TWI狀態(tài)寄存器——TWSR的所有的比特位置為0，其目的主要是令TWSR的后三位比特位為0，選擇不分頻，和系統(tǒng)鐘保持一致。然后通過(guò)對(duì)TWI(從機(jī))地址寄存器——TWAR賦值以設(shè)置從機(jī)地址。最后，再將TWCR寄存器的TWEN比特位——TWI使能位置位，啟動(dòng)TWI。

（2）TWI通信開(kāi)始

在這一部分，我們采用了“TWIstart(void)”函數(shù)以實(shí)現(xiàn)TWI通信的開(kāi)始。函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能就是發(fā)送幀格式中的START信號(hào)。函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)是首先將TWCR寄存器的TWEN,TWSTA,TWINT置為1，發(fā)送START信號(hào)。這里需要注意的是TWINT的特殊，TWINT標(biāo)志的清零必須通過(guò)軟件寫“1”來(lái)完成，只要這一位被清零，TWI立即開(kāi)始工作。然后用“while (!(TWCR & (1<

（3）TWI寫數(shù)據(jù)

這一部分當(dāng)中,我們采用了“unsigned char TWIwt(unsigned char data)”函數(shù)實(shí)現(xiàn)TWI寫數(shù)據(jù)。我們需要進(jìn)行兩步操作：將數(shù)據(jù)裝入TWDR寄存器，啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送；等待TWINT置位。ATmega128向AT24C01寫入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型可以包括從機(jī)地址，AT24C01的地址單元，寫入地址單元的內(nèi)容。函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)是首先將數(shù)據(jù)裝入到TWDR寄存器，然后將TWINT清零，啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且用“while (!(TWCR & (1<

（4）TWI讀數(shù)據(jù)

同寫數(shù)據(jù)類似的,我們采用了“unsigned char TWIrd(void)”函數(shù)實(shí)現(xiàn)TWI讀數(shù)據(jù)。處理器從AT24C01某個(gè)地址單元讀取數(shù)據(jù)。首先將TWCR寄存器的TWEN,TWEA,TWINT置為1，TWEA標(biāo)志控制應(yīng)答脈沖的產(chǎn)生，在主機(jī)/ 從機(jī)接收模式下接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)接口發(fā)出ACK脈沖。在等待TWINT置位后完成數(shù)據(jù)的讀取。

（5）TWI停止

本部分我們運(yùn)用了“T W I s t o p(v o i d)”函數(shù)完成TWI串口通信停止。通過(guò)將TWCR寄存器的TWEN,TWSTO,TWINT置為1，發(fā)送STOP 信號(hào)。在寫入值時(shí) TWINT 位要置位，這非常重要。給TWINT寫"1”清除此標(biāo)志。TWCR寄存器中的TWINT置位期間TWI不會(huì)啟動(dòng)任何操作。一旦TWINT清零，TWI啟動(dòng)STOP信號(hào)的傳送。注意TWINT在STOP狀態(tài)發(fā)送后不會(huì)置位。

TWI的寫操作和讀操作的流程圖分別如下圖1，圖2所示：

圖1 AT24C01寫流程圖

圖2 AT24C01讀流程圖

2.2 USART串口通信模塊的功能實(shí)現(xiàn)

ATmega128具有兩個(gè)USART,USART0和USART1。本次我使用的是USART0。USART的硬件圖如下所示：

圖3 USART串口連接圖

在USART0的初始化實(shí)現(xiàn)了對(duì)波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位，無(wú)校驗(yàn)位等要求的設(shè)定。數(shù)據(jù)位是8位，所以USART端口發(fā)送數(shù)據(jù)的方式是按字節(jié)發(fā)送。

USART0端口的數(shù)據(jù)發(fā)送有查詢方式和中斷方式兩種，這里我們采用了查詢方式。數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束標(biāo)志有“USART發(fā)送結(jié)束”和“USART數(shù)據(jù)寄存器空”兩種，我們采用的是“USART數(shù)據(jù)寄存器空”。這兩種結(jié)束標(biāo)志的區(qū)別主要體現(xiàn)在發(fā)送緩沖器(UDRn)中的數(shù)據(jù)是否被送出，在數(shù)據(jù)沒(méi)有被送出的情況下，不能使用“USART發(fā)送結(jié)束”標(biāo)志。

USART0端口的數(shù)據(jù)發(fā)送我們采用了異步方式。

2.3 SPI串口通信模塊的功能實(shí)現(xiàn)

SPI與74HC595的硬件連接如下圖所示

圖4 SPI串口連接圖

由上圖我們可以看到處理器A T m e g a 1 2 8的S P I串口通信中的 接到7 4 H C 5 9 5口的R C L K口，ATmega128的SPI串口通信中的SCK接到74HC595口的SRCLK，ATmega128的SPI串口通信中的MOSI接到74HC595口的SER，處理器ATmega128的SPI串口通信中的MISO接到74HC595口的SRCLR上。PC7接到使能口上。本次課題串口通信中只實(shí)現(xiàn)主出從入。

（1）SPI初始化

這一部分當(dāng)中，我們采用了“spi_init(void)”完成SPI的初始化。通過(guò)對(duì)端口B數(shù)據(jù)方向寄存器DDRB賦值，將MOSI,SCK,SS設(shè)置為輸出，之后對(duì)SPI控制寄存器——SPCR賦值，使能SPI，選擇主機(jī)模式，并且設(shè)置傳送速度。

（2）SPI主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

“SPI_MasterTransmit(char Data)” 可以完成SPI主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的操作。將數(shù)據(jù)寫入SPI數(shù)據(jù)寄存器——SPDR，串行發(fā)送結(jié)束后，SPIF置位。

2.4 數(shù)碼管顯示模塊功能實(shí)現(xiàn)

（1）HC595初始化

我們采用“void HC_595_init(void)”將HC595初始化。主要需要完成 的方向和值的設(shè)置。首先將 設(shè)置為輸出，賦值為1以禁止其啟動(dòng)。初始化PORTB的值使得數(shù)碼管的選通全部禁止，并將SPI的主從同步信號(hào)設(shè)置為高電平。之后調(diào)用SPI的初始化程序，最后將數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù)設(shè)為16即不顯示。

（2）HC595寫數(shù)據(jù)

送數(shù)據(jù)的操作比較簡(jiǎn)單，主要通過(guò)調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)。首先通過(guò)調(diào)用函數(shù)設(shè)置 的值以啟動(dòng)從機(jī)SPI通信，然后調(diào)用SPI主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)“SPI_MasterTransmit(char Data)”，最后調(diào)用函數(shù)將PB0（ ）設(shè)置為1，恢復(fù)到初始狀態(tài)。

（3）HC595顯示整形數(shù)據(jù)

這部分函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)的功能是待顯示數(shù)據(jù)通過(guò)處理后，分別將百位，十位，個(gè)位存儲(chǔ)在相應(yīng)的單元中。在程序中，存儲(chǔ)單元指的是數(shù)組Seg7_Led_Buf[]。

（4）HC595刷新顯示

這部分函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)的功能：4個(gè)數(shù)碼管依次選通顯示相應(yīng)數(shù)值，顯示的數(shù)值通過(guò)查表，通過(guò)SPI接口發(fā)送。由于刷新顯示程序的運(yùn)行時(shí)間比較短，可以保證數(shù)碼管的穩(wěn)定顯示。

3 結(jié)語(yǔ)

本次研究運(yùn)用編程實(shí)現(xiàn)處理器通過(guò)串行接口與外設(shè)之間的聯(lián)系。顯示結(jié)果表明處理器與外設(shè)之間通信狀況良好，顯示延遲小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對(duì)于運(yùn)用此系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的開(kāi)發(fā)具有重要的意義。

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