基于AT90S8515的串行通信及其應(yīng)用

引　言

　　美國(guó)ATMEL公司推出的90系列單片機(jī)是增強(qiáng)RISC內(nèi)載Flash的高性能八位單片機(jī)，通稱為AVR單片機(jī)，設(shè)計(jì)上采用低功耗CMOS技術(shù)，而且在軟件上有效支持C高級(jí)語(yǔ)言（用IAR系統(tǒng)的ICC90C編譯器編譯）及匯編語(yǔ)言（用ATP匯編器編譯）。

　　其中AT90S8515是功能較強(qiáng)的一種型號(hào)，它有40引腳PDIP和44引腳PLCC、TQFP等多種封裝形式，具有120條功能強(qiáng)大的指令，而且大多數(shù)執(zhí)行時(shí)間為單時(shí)鐘周期，指令周期最短僅為125ns。它具有以下主要特征：片內(nèi)有8K字節(jié)可下載的Flash存儲(chǔ)器，程序下載采用其SPI串行接口，使用壽命為1000次；32條通用I／O線及32個(gè)通用8位寄存器R0～R31，64個(gè)I／O專用寄存器；512字節(jié)的EEPROM（使用壽命為10萬(wàn)次）及512字節(jié)的內(nèi)部SRAM；供電電壓在VCC為4．0～6．0V內(nèi)可以全靜態(tài)工作范圍為0～8MHz；提供內(nèi)部及外部中斷源；帶片內(nèi)晶振器的可編程看門狗定時(shí)器；并有2種可通過(guò)軟件選擇的電源節(jié)電模式：閑置模式、掉電模式；可編程的全雙工串行通信接口UART；一個(gè)8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T／C0，一個(gè)16位的帶預(yù)分頻及比較模式、捕獲模式及雙工8位、9位或10位的PWM輸出的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T／C1。本文著重介紹其片內(nèi)UART在實(shí)際中的應(yīng)用。

1　串行接口UART的主要特征和工作原理

　　1．1　串行接口UART的主要特征

　　AT90S8515帶有一個(gè)全雙工的通用異步收發(fā)器（UART），特征如下：

　?。?）波特率發(fā)生器可以生成任何波特率；

　?。?）在XTAL低頻率下有高的波特率；

　?。?）8位和9位數(shù)據(jù)；

　?。?）噪聲濾波；

　?。?）超越誤差的檢測(cè)；

　　（6）幀錯(cuò)誤檢測(cè)；

　?。?）錯(cuò)誤起始位檢測(cè)；

　?。?）3個(gè)獨(dú)立的中斷，即TX完成，TX數(shù)據(jù)寄存器空，RX完成。

　　其數(shù)據(jù)發(fā)送通過(guò)把被傳送的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)ART的I／O數(shù)據(jù)寄存器UDR來(lái)初始化，然后數(shù)據(jù)從UDR傳送到移位寄存器中。在波特率時(shí)鐘加載到移位寄存器的傳送操作時(shí)，起始位從TXD引腳移出，然后是數(shù)據(jù)最低位在先。當(dāng)停止位被移出時(shí)，如果在傳送中有新數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)DR中，則被裝入移位寄存器中，同時(shí)，UART的狀態(tài)寄存器USR的UDRE位（UART狀態(tài)寄存器空）被設(shè)置，直到UDR被重寫。當(dāng)沒(méi)有新的數(shù)據(jù)被寫入時(shí)，而且停止位在TXD上保持了一位的長(zhǎng)度，USR的TX完成標(biāo)志位TXC被設(shè)置。

　　當(dāng)UART的控制寄存器UCR中的TXEN位被置為1時(shí)，允許UART發(fā)送，此時(shí)PD1被作為發(fā)送線。

　　通過(guò)讀UDR寄存器，接收數(shù)據(jù)寄存器被訪問(wèn)。接收器以16倍波特率采樣RXD引腳的信號(hào)，當(dāng)線路閑置時(shí)，一個(gè)邏輯0的采樣將被轉(zhuǎn)換為起始位的下降沿，并且起始位的探測(cè)序列被初始化，然后，接受器在第8、9和10個(gè)采樣點(diǎn)采樣中，如果得到兩個(gè)或兩個(gè)以上是邏輯1，則認(rèn)為起始位是噪聲尖峰而拒絕，繼續(xù)探測(cè)下一個(gè)1到0的轉(zhuǎn)換。如果起始位被發(fā)現(xiàn)后，開(kāi)始采樣數(shù)據(jù)位，這些位也在第8、9和10個(gè)采樣點(diǎn)采樣，3取2作為該位的邏輯值，在采樣的同時(shí)被移入傳送寄存器。當(dāng)停止位為邏輯0，則USR的FE（幀錯(cuò)誤）標(biāo)志被置1，在讀UDR前，用戶應(yīng)檢查FE幀錯(cuò)誤標(biāo)志。在讀UDR后應(yīng)檢查OR位來(lái)檢測(cè)任何的超越錯(cuò)誤。

　　當(dāng)UART的控制寄存器UCR中的RXEN位被置為1時(shí)，允許UART數(shù)據(jù)接收，此時(shí)PD0被作為接收線。

　　1．2　UART的主要寄存器及設(shè)置

　　UART的I／O數(shù)據(jù)寄存器UDR是兩個(gè)物理分離的寄存器分享相同的I／O地址，當(dāng)寫入U(xiǎn)DR寄存器時(shí)，UART的發(fā)送寄存器被寫入；當(dāng)讀UDR寄存器時(shí)，讀的是UART的接收寄存器。

　　UART的波特率寄存器UBRR是8位可讀／寫的寄存器，用以確定波特率。用戶進(jìn)行串行通信編程的重點(diǎn)是了解UCR及USR的使用。

　　1．2．1　UART控制寄存器———UCR

　　位7——RXCIE:RX完成中斷使能,當(dāng)該位置1且SREG中的I位設(shè)為1時(shí)，在USR中設(shè)置RXC位將導(dǎo)致接收完成中斷被執(zhí)行；

　　位6———TXCIE：TX完成中斷使能，當(dāng)該位置1且SREG中的I位設(shè)為1時(shí)，在USR中設(shè)置TXC位將導(dǎo)致發(fā)送完成中斷被執(zhí)行；

　　位5———UDRIE：UART數(shù)據(jù)寄存器空中斷使能，當(dāng)該位置1且SREG中的I位設(shè)為1時(shí)，在USR中設(shè)置UDRIE位將導(dǎo)致發(fā)送UART數(shù)據(jù)寄存器空中斷被執(zhí)行；

　　位4———RXEN：接收使能，當(dāng)該位被設(shè)置時(shí)允許UART接收，當(dāng)接收器被禁止時(shí)，TXC、OR、FE位的狀態(tài)標(biāo)志不能　　設(shè)置，否則，在把RXEN關(guān)閉時(shí)不能消除它們；

　　位3———TXEN：發(fā)送使能，當(dāng)該位被設(shè)置時(shí)允許UART發(fā)送，如在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)禁止發(fā)送器，則在移位寄存器的數(shù)據(jù)和后續(xù)UDR中的數(shù)據(jù)被全部發(fā)送完成之前，發(fā)遂器不會(huì)被禁止；

　　位2———CHR9：9位字符的發(fā)送或接收，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是9位數(shù)據(jù)位和1位起始位、1位停止位。第9位通過(guò)UTP中的RXB8和TXB8位分別讀和寫；

　　位1———RXB8：當(dāng)CHR9被設(shè)置時(shí)，RXB8是收到數(shù)據(jù)的第9數(shù)據(jù)位；

　　位0———TXB8：當(dāng)CHR9被設(shè)置時(shí)，TXB8是發(fā)送數(shù)據(jù)的第9數(shù)據(jù)位。

　　1．2．2　UART狀態(tài)寄存器———USR

　　USR提供各種狀態(tài)信息，其格式如下：

　　位7——RXC:UART接收完成,當(dāng)使用中斷數(shù)據(jù)接收時(shí)，接收完成中斷子程序必須讀UDR而消除RXC，否則在子程序完成時(shí)又引起新的中斷；

　　位6———TXC：UART發(fā)送完成，當(dāng)發(fā)送移位寄存的全部數(shù)據(jù)被移出后且沒(méi)有新的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)DR時(shí)，該位置1，TXC在執(zhí)行相應(yīng)的中斷向量時(shí)被硬件清除；

　　位5———UDRE：UART數(shù)據(jù)寄存器空，當(dāng)寫入U(xiǎn)DR的字符被傳送到發(fā)送移位寄存器中時(shí)該位被設(shè)置，表示發(fā)送器準(zhǔn)備新的數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　位4———FE：幀出錯(cuò)，當(dāng)收到的

數(shù)據(jù)的停止位為0時(shí)，該位置1，F(xiàn)E在收到的數(shù)據(jù)的停止們?yōu)?時(shí)被清除；

        位3———OR：超越出錯(cuò)，當(dāng)UDR寄存器的數(shù)據(jù)沒(méi)有在新的數(shù)據(jù)被移入到接收移位寄存器之前被讀走，該位置1，即OR位被緩沖。意味著移入移位寄存器的最后數(shù)據(jù)字節(jié)不能被送到UDR中而丟失。

　　1．2．3　波特率發(fā)生器

　　依據(jù)以下等式的分頻器產(chǎn)生波特率： BAUD＝f／［16（UBRR＋1）］

　　BAUD表示波特率，f為晶振頻率；UBRR表示UART波特率寄存器的值（0～255）。例如，波特率確定為9600波特時(shí)，選用標(biāo)準(zhǔn)的晶振頻率1．8432MHz（誤差為0），則可計(jì)算出UBRR的初始化值為11；波特率確定為9600波特時(shí)選用晶振頻率為3．6864MHz，UBRR的初始化值為23。

　　2　AT90S8515與上位PC機(jī)的串行通信應(yīng)用

　　2．1　與上位PC機(jī)的硬件連接

　　AT90S8515與上位PC機(jī)通信采用RS485總線，通過(guò)RS－485接收／發(fā)送器連接，使用MAXIM公司的MAX3080CPD芯片，為了使電磁干擾及終端末匹配的連接所產(chǎn)生的反射最小，MAX3080適合速率為115Kbps以下的應(yīng)用，而且具有平衡發(fā)送，差分接收，抑制共模干擾和故障保護(hù)的特點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離傳送。為提高系統(tǒng)可靠性，在MAX3080與CPU之間還可增加光電耦合器6N137，更好地與上位機(jī)電氣隔離。硬件連接原理圖如圖1所示。

　　2．2　與PC機(jī)的串行通信軟件設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用AT90S8515的串行接口UART與PC機(jī)進(jìn)行串行通信軟件設(shè)計(jì)可以采用中斷接受與查詢發(fā)送的方式，通過(guò)判斷UART中的UDR發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器是否為空決定是否發(fā)送，并激活接收完成中斷。

　　下面的程序采用查詢方式向上位PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，字符數(shù)據(jù)位為8位，接受數(shù)據(jù)塊將包含數(shù)據(jù)幀幀頭及幀尾（各占一個(gè)字節(jié)），還有符合本節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)碼（地址），從而提高數(shù)據(jù)接收的安全性及可靠性，并適合多個(gè)AVR微控制器與PC機(jī)通信。

　　選用標(biāo)準(zhǔn)的晶振頻率3．864MHz（誤差為0），波特率確定為19200波特，且用PD7引腳控制MAX3080發(fā)送的開(kāi)啟與關(guān)閉。

　　3　結(jié)束語(yǔ)

　　以上的程序模塊已經(jīng)在作者的課題項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中加以應(yīng)用，同時(shí)對(duì)AT908535、AT90S2313等其它型號(hào)AVR單片機(jī)也完全通用。

　　總之，相對(duì)以往的AT89系列單片機(jī)，以AT90S8515作為嵌入式高效微控制器，在性能上要強(qiáng)得多，程序的效率高而且運(yùn)行速度大大提高，開(kāi)發(fā)手段也更方便。

　　另外，AVR單片機(jī)的內(nèi)部又有硬件看門狗電路即看門狗定時(shí)器和看門狗定時(shí)器的控制寄存器WDTTP相相應(yīng)的看門狗指令控制，大大提高了系統(tǒng)的可靠性及安全性，因此，目前應(yīng)用高檔ATP系列單片機(jī)更適合組成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的智能檢測(cè)及采集處理節(jié)點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　1　AVR8－Bit RISC－Data Sheets．ATMELCorporation［M］．1997

　　2　AVREnhanced Risc Microcontroller Data Book［M］1997

　　3　宋建國(guó)．AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998