AVR單片機(jī)的TWI總線的原理及應(yīng)用

    AVR系列的單片機(jī)內(nèi)部集成了TWI(Two-wire SerialInterface)總線。該總線具有I2C總線的特點(diǎn)，即接線簡(jiǎn)單，外部硬件只需兩個(gè)上拉電阻，使用時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以將128個(gè)不同的設(shè)備互連到一起；而且支持主機(jī)和從機(jī)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(dá)400 kHz。正因?yàn)門WI總線具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)這只是一種簡(jiǎn)單化的理解。TWI總線是對(duì)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?yuàn)Y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(shí)際應(yīng)用上，由于大部分單片機(jī)內(nèi)部沒有集成I2C總線，因此單片機(jī)的控制是通過模擬I2C總線的時(shí)序來完成其操作的。

    AVR系列的單片機(jī)內(nèi)部集成了TWI總線，而且其用法也比I2C更為靈活。本文結(jié)合一個(gè)實(shí)例對(duì)TWI總線的內(nèi)部模塊、工作時(shí)序和工作模式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，目的在于正確區(qū)分TWI總線和傳統(tǒng)的I2C總線，對(duì)如何正確使用TWI總線編程也具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)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(gè)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(dòng)器包含一個(gè)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(jī)模式時(shí)時(shí)鐘信號(hào)SCL的周期，具體由TWI狀態(tài)寄存器TWSR的預(yù)分頻系數(shù)以及比特率寄存器TWBR設(shè)定；當(dāng)TWI工作于從機(jī)模式時(shí)，無需對(duì)比特率或預(yù)分頻進(jìn)行設(shè)定。地址匹配單元將檢測(cè)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。控制單元監(jiān)視TWI總線，根據(jù)TWI控制寄存器TWCR的設(shè)置作出相應(yīng)的響應(yīng)。

2 TWI的工作時(shí)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(gè)字節(jié)或發(fā)送一個(gè)START信號(hào)等)，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(yīng)用程序干預(yù)。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(yīng)用程序是否響應(yīng)TWINT標(biāo)志位產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求。如果TWIE被清零，則應(yīng)用程序只能采用輪詢TWINT標(biāo)志位的方法來檢測(cè)TWI總線狀態(tài)；如果TWINT標(biāo)志位被置位，則表示TWI接口完成了當(dāng)前的操作，等待應(yīng)用程序響應(yīng)。在這種情況下，TWI狀態(tài)寄存器TWSR包含了當(dāng)前TWI總線的狀態(tài)值。應(yīng)用程序可讀取TWCR的狀態(tài)碼，判別此時(shí)的狀態(tài)碼是否正確，并通過設(shè)置TWCR與TWDR寄存器來決定下一個(gè)TWI總線周期TWI接口應(yīng)如何工作。典型的主機(jī)字節(jié)發(fā)送的工作時(shí)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(jī)發(fā)送模式(MT)、主機(jī)接收模式(MR)、從機(jī)發(fā)送模式(ST)和從機(jī)接收器模式(SR)。即使同一應(yīng)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(jī)存在，則它們可能給TWI發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)可以用SR模式。由應(yīng)用程序決定采用何種模式。由于在實(shí)際使用過程中，多使用主機(jī)發(fā)送模式，所以只對(duì)主機(jī)發(fā)送模式作詳細(xì)介紹，其它模式下格式和狀態(tài)可以依此類推。

    在主機(jī)發(fā)送模式下，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。為了進(jìn)入主機(jī)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(jìn)入MT或MR模式。如果發(fā)送SLA+W，則進(jìn)入MT模式；如果發(fā)送SLA+R，則進(jìn)入MR模式。主機(jī)發(fā)送模式的格式和狀態(tài)如圖3所示。

4 TWI的編程實(shí)例
    下面將通過一個(gè)具體的實(shí)例來說明如何在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)TWl進(jìn)行編程。本程序的主要功能是向PCA9554中寫入數(shù)據(jù)，若錯(cuò)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(jié)論
    AVR系列單片機(jī)內(nèi)部有可編程Flash，自帶EEPROM，支持JTAG接口片內(nèi)調(diào)試和對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程，因此成為眾多單片機(jī)芯片的首選。同時(shí)，AVR系列單片機(jī)內(nèi)部集成有TWI接口，彌補(bǔ)了其他型號(hào)單片機(jī)依靠時(shí)序模擬完成I2C芯片工作的缺陷。本文通過對(duì)TWI總線的詳細(xì)介紹，旨在介紹一種對(duì)TWI總線進(jìn)行編程的方法，對(duì)TWI的正確使用具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。