基于AVR单片机串行口的研究

黄剑波

安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001

引言

ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMO S微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。我们研究的对象主要是基于ATmega128的综合开发系统，研究内容包括TWI接口与AT24C01的通信功能实现，USART接口与PC的通信功能实现，SPI接口控制相关数码管的数据显示的功能实现。

1 串行口功能概述

1.1 SPI接口概述

SPI总线是由MOTOROLA公司提出的一种同步串行外设接口。本次研究的开发板采用的是4根信号线，即两条控制信号线 （低电平有效）和SCLK以及两条数据信号线SDI和SDO。

通过将需要的从机的 引脚拉低，主机启动一次通讯过程。主机和从机将需要发送的数据放入相应的移位寄存器。主机在SCK引脚上产生时钟脉冲以交换数据。主机通过将从机的 拉高实现与从机的同步。

1.2 两线串行接口TWI

TWI协议允许系统设计者只用两根双向传输线就可以将128个不同的设备互连到一起。这两根线一是时钟SCL，一是数据SDA。外部硬件只需要两个上拉电阻，每根线上一个。所有连接到总线上的设备都有自己的地址。TWI 协议解决了总线仲裁的问题。

TWI总线进行数据传输时，SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定。数据线的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号时低电平时才能改变。

TWI总线协议规定，在SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换表示其实条件；当SCL是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换表示停止条件。

发送到SDA线上的每个字节必须是8位。每次传输可以发送的字节数量不受限制，每个字节后跟一个响应位（ACK）。首先传输的是数据的最高位。

1.3 通用同步和异步串行接收和转发器 USART

USART分为了三个主要部分：时钟发生器，发送器和接收器。控制寄存器由三个单元共享。时钟发生器包括同步从机操作用来与外部输入时钟进行同步的逻辑，以及波特率发生器。XCK ( 发送器时钟)引脚用于同步发送模式。发送器包括单个写缓冲器，串行移位寄存器，奇偶发生器以及处理不同的帧格式所需的控制逻辑。写缓冲器可以保持连续发送数据而不会在数据帧之间引入延迟。由于接收器具有时钟和数据恢复单元，它是USART 模块中最复杂的。恢复单元用于异步数据的接收。除了恢复单元，接收器还包括奇偶校验，控制逻辑，移位寄存器和两个接收缓冲器UDR。接收器支持与发送器相同的帧格式，而且可以检测帧错误，数据过速和奇偶校验错误。

2 功能实现

2.1 TWI串口通信模块的功能实现

对于TWI串口来说，它所要实现的功能就是对AT24C01进行访问，包括对指定单元写入内容0xaa,并将该单元内容读取。

（1）TWI通信初始化

在这一部分，我们采用了“twi_init(void)”函数以实现TWI通信的初始化。函数具体实现是首先对TWI控制寄存器——TWCR进行设置，将其所有比特位置为0，以禁止TWI。在这之后，对TWI比特率寄存器——TWBR设置比特率，设置为01100100.然后将TWI状态寄存器——TWSR的所有的比特位置为0，其目的主要是令TWSR的后三位比特位为0，选择不分频，和系统钟保持一致。然后通过对TWI(从机)地址寄存器——TWAR赋值以设置从机地址。最后，再将TWCR寄存器的TWEN比特位——TWI使能位置位，启动TWI。

（2）TWI通信开始

在这一部分，我们采用了“TWIstart(void)”函数以实现TWI通信的开始。函数实现的功能就是发送帧格式中的START信号。函数具体实现是首先将TWCR寄存器的TWEN,TWSTA,TWINT置为1，发送START信号。这里需要注意的是TWINT的特殊，TWINT标志的清零必须通过软件写“1”来完成，只要这一位被清零，TWI立即开始工作。然后用“while (!(TWCR & (1<

（3）TWI写数据

这一部分当中,我们采用了“unsigned char TWIwt(unsigned char data)”函数实现TWI写数据。我们需要进行两步操作：将数据装入TWDR寄存器，启动数据发送；等待TWINT置位。ATmega128向AT24C01写入一个字节的数据，数据类型可以包括从机地址，AT24C01的地址单元，写入地址单元的内容。函数具体实现是首先将数据装入到TWDR寄存器，然后将TWINT清零，启动发送数据，并且用“while (!(TWCR & (1<

（4）TWI读数据

同写数据类似的,我们采用了“unsigned char TWIrd(void)”函数实现TWI读数据。处理器从AT24C01某个地址单元读取数据。首先将TWCR寄存器的TWEN,TWEA,TWINT置为1，TWEA标志控制应答脉冲的产生，在主机/ 从机接收模式下接收到一个字节的数据时接口发出ACK脉冲。在等待TWINT置位后完成数据的读取。

（5）TWI停止

本部分我们运用了“T W I s t o p(v o i d)”函数完成TWI串口通信停止。通过将TWCR寄存器的TWEN,TWSTO,TWINT置为1，发送STOP 信号。在写入值时 TWINT 位要置位，这非常重要。给TWINT写"1”清除此标志。TWCR寄存器中的TWINT置位期间TWI不会启动任何操作。一旦TWINT清零，TWI启动STOP信号的传送。注意TWINT在STOP状态发送后不会置位。

TWI的写操作和读操作的流程图分别如下图1，图2所示：

图1 AT24C01写流程图

图2 AT24C01读流程图

2.2 USART串口通信模块的功能实现

ATmega128具有两个USART,USART0和USART1。本次我使用的是USART0。USART的硬件图如下所示：

图3 USART串口连接图

在USART0的初始化实现了对波特率9600，8位数据位，一位停止位，无校验位等要求的设定。数据位是8位，所以USART端口发送数据的方式是按字节发送。

USART0端口的数据发送有查询方式和中断方式两种，这里我们采用了查询方式。数据发送结束标志有“USART发送结束”和“USART数据寄存器空”两种，我们采用的是“USART数据寄存器空”。这两种结束标志的区别主要体现在发送缓冲器(UDRn)中的数据是否被送出，在数据没有被送出的情况下，不能使用“USART发送结束”标志。

USART0端口的数据发送我们采用了异步方式。

2.3 SPI串口通信模块的功能实现

SPI与74HC595的硬件连接如下图所示

图4 SPI串口连接图

由上图我们可以看到处理器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，处理器ATmega128的SPI串口通信中的MISO接到74HC595口的SRCLR上。PC7接到使能口上。本次课题串口通信中只实现主出从入。

（1）SPI初始化

这一部分当中，我们采用了“spi_init(void)”完成SPI的初始化。通过对端口B数据方向寄存器DDRB赋值，将MOSI,SCK,SS设置为输出，之后对SPI控制寄存器——SPCR赋值，使能SPI，选择主机模式，并且设置传送速度。

（2）SPI主机发送数据

“SPI_MasterTransmit(char Data)” 可以完成SPI主机发送数据的操作。将数据写入SPI数据寄存器——SPDR，串行发送结束后，SPIF置位。

2.4 数码管显示模块功能实现

（1）HC595初始化

我们采用“void HC_595_init(void)”将HC595初始化。主要需要完成 的方向和值的设置。首先将 设置为输出，赋值为1以禁止其启动。初始化PORTB的值使得数码管的选通全部禁止，并将SPI的主从同步信号设置为高电平。之后调用SPI的初始化程序，最后将数码管的显示数据设为16即不显示。

（2）HC595写数据

送数据的操作比较简单，主要通过调用函数实现。首先通过调用函数设置 的值以启动从机SPI通信，然后调用SPI主机发送数据函数“SPI_MasterTransmit(char Data)”，最后调用函数将PB0（ ）设置为1，恢复到初始状态。

（3）HC595显示整形数据

这部分函数主要实现的功能是待显示数据通过处理后，分别将百位，十位，个位存储在相应的单元中。在程序中，存储单元指的是数组Seg7_Led_Buf[]。

（4）HC595刷新显示

这部分函数主要实现的功能：4个数码管依次选通显示相应数值，显示的数值通过查表，通过SPI接口发送。由于刷新显示程序的运行时间比较短，可以保证数码管的稳定显示。

3 结语

本次研究运用编程实现处理器通过串行接口与外设之间的联系。显示结果表明处理器与外设之间通信状况良好，显示延迟小，数据准确，对于运用此系统进行后续的开发具有重要的意义。

[1]马潮. AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]. 第一版.北京：北京航空航天大学出版社，2007

[2]金钟夫. AVR ATmega128单片机C程序设计与实践[M]. 第一版.北京: 北京航空航天大学出版社，2008

[3]朱飞，杨平. AVR单片机C语言开发入门与典型实例[M]. 第一版.北京：人民邮电出版社，2010