基于AVR單片機串行口的研究

黃劍波

安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001

引言

ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMO S微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。我們研究的對象主要是基于ATmega128的綜合開發(fā)系統(tǒng)，研究內(nèi)容包括TWI接口與AT24C01的通信功能實現(xiàn)，USART接口與PC的通信功能實現(xiàn)，SPI接口控制相關數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示的功能實現(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接口。本次研究的開發(fā)板采用的是4根信號線，即兩條控制信號線 （低電平有效）和SCLK以及兩條數(shù)據(jù)信號線SDI和SDO。

通過將需要的從機的 引腳拉低，主機啟動一次通訊過程。主機和從機將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應的移位寄存器。主機在SCK引腳上產(chǎn)生時鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機通過將從機的 拉高實現(xiàn)與從機的同步。

1.2 兩線串行接口TWI

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

TWI總線進行數(shù)據(jù)傳輸時，SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時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線的時鐘信號時低電平時才能改變。

TWI總線協(xié)議規(guī)定，在SCL線是高電平時，SDA線從高電平向低電平切換表示其實條件；當SCL是高電平時，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，每個字節(jié)后跟一個響應位（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發(fā)器 USART

USART分為了三個主要部分：時鐘發(fā)生器，發(fā)送器和接收器。控制寄存器由三個單元共享。時鐘發(fā)生器包括同步從機操作用來與外部輸入時鐘進行同步的邏輯，以及波特率發(fā)生器。XCK ( 發(fā)送器時鐘)引腳用于同步發(fā)送模式。發(fā)送器包括單個寫緩沖器，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)而不會在數(shù)據(jù)幀之間引入延遲。由于接收器具有時鐘和數(shù)據(jù)恢復單元，它是USART 模塊中最復雜的。恢復單元用于異步數(shù)據(jù)的接收。除了恢復單元，接收器還包括奇偶校驗，控制邏輯，移位寄存器和兩個接收緩沖器UDR。接收器支持與發(fā)送器相同的幀格式，而且可以檢測幀錯誤，數(shù)據(jù)過速和奇偶校驗錯誤。

2 功能實現(xiàn)

2.1 TWI串口通信模塊的功能實現(xiàn)

對于TWI串口來說，它所要實現(xiàn)的功能就是對AT24C01進行訪問，包括對指定單元寫入內(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)以實現(xiàn)TWI通信的初始化。函數(shù)具體實現(xiàn)是首先對TWI控制寄存器——TWCR進行設置，將其所有比特位置為0，以禁止TWI。在這之后，對TWI比特率寄存器——TWBR設置比特率，設置為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。然后通過對TWI(從機)地址寄存器——TWAR賦值以設置從機地址。最后，再將TWCR寄存器的TWEN比特位——TWI使能位置位，啟動TWI。

（2）TWI通信開始

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

（3）TWI寫數(shù)據(jù)

這一部分當中,我們采用了“unsigned char TWIwt(unsigned char data)”函數(shù)實現(xiàn)TWI寫數(shù)據(jù)。我們需要進行兩步操作：將數(shù)據(jù)裝入TWDR寄存器，啟動數(shù)據(jù)發(fā)送；等待TWINT置位。ATmega128向AT24C01寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型可以包括從機地址，AT24C01的地址單元，寫入地址單元的內(nèi)容。函數(shù)具體實現(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)實現(xiàn)TWI讀數(shù)據(jù)。處理器從AT24C01某個地址單元讀取數(shù)據(jù)。首先將TWCR寄存器的TWEN,TWEA,TWINT置為1，TWEA標志控制應答脈沖的產(chǎn)生，在主機/ 從機接收模式下接收到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)時接口發(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。通過將TWCR寄存器的TWEN,TWSTO,TWINT置為1，發(fā)送STOP 信號。在寫入值時 TWINT 位要置位，這非常重要。給TWINT寫"1”清除此標志。TWCR寄存器中的TWINT置位期間TWI不會啟動任何操作。一旦TWINT清零，TWI啟動STOP信號的傳送。注意TWINT在STOP狀態(tài)發(fā)送后不會置位。

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現(xiàn)

ATmega128具有兩個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的初始化實現(xiàn)了對波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位，無校驗位等要求的設定。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)送結束標志有“USART發(fā)送結束”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”。這兩種結束標志的區(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)沒有被送出的情況下，不能使用“USART發(fā)送結束”標志。

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現(xiàn)主出從入。

（1）SPI初始化

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

（2）SPI主機發(fā)送數(shù)據(jù)

“SPI_MasterTransmit(char Data)” 可以完成SPI主機發(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)送結束后，SPIF置位。

2.4 數(shù)碼管顯示模塊功能實現(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 的方向和值的設置。首先將 設置為輸出，賦值為1以禁止其啟動。初始化PORTB的值使得數(shù)碼管的選通全部禁止，并將SPI的主從同步信號設置為高電平。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)設為16即不顯示。

（2）HC595寫數(shù)據(jù)

送數(shù)據(jù)的操作比較簡單，主要通過調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)。首先通過調(diào)用函數(shù)設置 的值以啟動從機SPI通信，然后調(diào)用SPI主機發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)“SPI_MasterTransmit(char Data)”，最后調(diào)用函數(shù)將PB0（ ）設置為1，恢復到初始狀態(tài)。

（3）HC595顯示整形數(shù)據(jù)

這部分函數(shù)主要實現(xiàn)的功能是待顯示數(shù)據(jù)通過處理后，分別將百位，十位，個位存儲在相應的單元中。在程序中，存儲單元指的是數(shù)組Seg7_Led_Buf[]。

（4）HC595刷新顯示

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

3 結語

本次研究運用編程實現(xiàn)處理器通過串行接口與外設之間的聯(lián)系。顯示結果表明處理器與外設之間通信狀況良好，顯示延遲小，數(shù)據(jù)準確，對于運用此系統(tǒng)進行后續(xù)的開發(fā)具有重要的意義。

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