AVR單片機的TWI總線的原理及應用

    AVR系列的單片機內(nèi)部集成了TWI(Two-wire SerialInterface)總線。該總線具有I2C總線的特點，即接線簡單，外部硬件只需兩個上拉電阻，使用時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以將128個不同的設備互連到一起；而且支持主機和從機操作，器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式，數(shù)據(jù)傳輸率高達400 kHz。正因為TWI總線具有這么多的優(yōu)點，因此受到了使用者的青睞。

    由于該總線與傳統(tǒng)的I2C總線極其相似。因此不少人誤以為TWI總線就是I2C總線，其實這只是一種簡單化的理解。TWI總線是對I2C總線的繼承和發(fā)展。它定義了自已的功能模塊和寄存器，寄存器各位功能的定義與I2C總線并不相同；而且TWI總線引入了狀奩寄存器，使得TWI總線在操作和使用上比I2C總線更為靈活。在實際應用上，由于大部分單片機內(nèi)部沒有集成I2C總線，因此單片機的控制是通過模擬I2C總線的時序來完成其操作的。

    AVR系列的單片機內(nèi)部集成了TWI總線，而且其用法也比I2C更為靈活。本文結合一個實例對TWI總線的內(nèi)部模塊、工作時序和工作模式進行了詳細介紹，目的在于正確區(qū)分TWI總線和傳統(tǒng)的I2C總線，對如何正確使用TWI總線編程也具有現(xiàn)實的指導意義。

1 TWI內(nèi)部模塊
    TWI內(nèi)部由總線接口單元、比特率發(fā)生器、地址匹配單元和控制單元等幾個子模塊組成，如罔1所示。圖中，SCL、SDA為MCU的TWI接口引腳。引腳的輸出驅(qū)動器包含一個波形斜率限制器以滿足TWI規(guī)范；引腳的輸入部分包含尖峰抑制單元，以去除小于50ns的毛刺?？偩€接口單元包括數(shù)據(jù)與地址寄存器TWDR、START／STOP控制器和總線仲裁判定硬件電路。比特率發(fā)生器單元用來控制TWI工作于主機模式時時鐘信號SCL的周期，具體由TWI狀態(tài)寄存器TWSR的預分頻系數(shù)以及比特率寄存器TWBR設定；當TWI工作于從機模式時，無需對比特率或預分頻進行設定。地址匹配單元將檢測從總線上接收到的地址是否與TWAR寄存器中的7位地址相匹配?？刂茊卧O(jiān)視TWI總線，根據(jù)TWI控制寄存器TWCR的設置作出相應的響應。

2 TWI的工作時序
    TWT接口是面向字節(jié)和基于中斷的。所有的總線事件(例如接收到一個字節(jié)或發(fā)送一個START信號等)，都會產(chǎn)生一個TWI中斷。由于TWI接口是基于中斷的，因此TWI接口在字節(jié)發(fā)送和接收過程中，不需要應用程序干預。TWCR寄存器的TWI中斷允許TWTE位和SREG寄存器的全局中斷允許一起決定應用程序是否響應TWINT標志位產(chǎn)生的中斷請求。如果TWIE被清零，則應用程序只能采用輪詢TWINT標志位的方法來檢測TWI總線狀態(tài)；如果TWINT標志位被置位，則表示TWI接口完成了當前的操作，等待應用程序響應。在這種情況下，TWI狀態(tài)寄存器TWSR包含了當前TWI總線的狀態(tài)值。應用程序可讀取TWCR的狀態(tài)碼，判別此時的狀態(tài)碼是否正確，并通過設置TWCR與TWDR寄存器來決定下一個TWI總線周期TWI接口應如何工作。典型的主機字節(jié)發(fā)送的工作時序如圖2所示。

3 TWI的工作模式
    TWI可以工作于4種不同的模式，即主機發(fā)送模式(MT)、主機接收模式(MR)、從機發(fā)送模式(ST)和從機接收器模式(SR)。即使同一應用程序也可以使用幾種模式。例如，TWI可用MT模式向TWI的EEPROM寫入數(shù)據(jù)，用MR模式從EEPROM讀取數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)中有其他主機存在，則它們可能給TWI發(fā)送數(shù)據(jù)，此時可以用SR模式。由應用程序決定采用何種模式。由于在實際使用過程中，多使用主機發(fā)送模式，所以只對主機發(fā)送模式作詳細介紹，其它模式下格式和狀態(tài)可以依此類推。

    在主機發(fā)送模式下，主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)。為了進入主機模式，必須先發(fā)送START信呼；緊接著的地址包格式?jīng)Q定是進入MT或MR模式。如果發(fā)送SLA+W，則進入MT模式；如果發(fā)送SLA+R，則進入MR模式。主機發(fā)送模式的格式和狀態(tài)如圖3所示。

4 TWI的編程實例
    下面將通過一個具體的實例來說明如何在實際應用中對TWl進行編程。本程序的主要功能是向PCA9554中寫入數(shù)據(jù)，若錯誤則返回一1；否則返回O。其中參數(shù)command為命令字節(jié)，data為要寫入的數(shù)據(jù)。

5 結論
    AVR系列單片機內(nèi)部有可編程Flash，自帶EEPROM，支持JTAG接口片內(nèi)調(diào)試和對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程，因此成為眾多單片機芯片的首選。同時，AVR系列單片機內(nèi)部集成有TWI接口，彌補了其他型號單片機依靠時序模擬完成I2C芯片工作的缺陷。本文通過對TWI總線的詳細介紹，旨在介紹一種對TWI總線進行編程的方法，對TWI的正確使用具有現(xiàn)實的指導意義。