AVR單片機(jī)中TWI的模塊化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：主要利用AVR單片機(jī)中的TWI模塊，構(gòu)建了一個(gè)基于TWI總線的模塊化檢測系統(tǒng)。通過利用TWI總線相對于I2C總線的強(qiáng)大靈活性，增加了容錯(cuò)處理程序，提高了總線的穩(wěn)定性和可靠性，使得整個(gè)檢測系統(tǒng)的抗干擾性更強(qiáng)。在從機(jī)TWI程序設(shè)計(jì)上使用TWI中斷，消除了等待TWINT置住所浪費(fèi)的時(shí)間，提高了程序的執(zhí)行效率。

引言
隨著設(shè)備信息化和智能化程度的不斷提高，設(shè)備間的通信變得愈加重要。目前，設(shè)備間的通信，尤其是多個(gè)設(shè)備間的通信，大多數(shù)都是依靠各種不同標(biāo)準(zhǔn)的總線實(shí)現(xiàn)的。通過總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信減少了物理連線，簡化了硬件設(shè)計(jì)工作，同時(shí)也便于擴(kuò)展。因此，總線，尤其是各種工業(yè)總線，得到了廣泛的應(yīng)用。在智能化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有時(shí)由于各種外圍設(shè)備較多，也會(huì)應(yīng)用總線解決通信的問題。當(dāng)今最為常見的是由Philips公司開發(fā)的I2C總線，它用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。而Atmel公司的TWI接口是I2C總線基礎(chǔ)上的繼承和發(fā)展，它定義了自己的功能模塊和寄存器，其寄存器各位功能的定義與I2C總線并不相同。另外TWI總線引入了狀態(tài)寄存器，使得TWI總線在操作和使用上比I2C總線更加靈活。本文主要利用TWI總線強(qiáng)大的靈活性，設(shè)計(jì)了基于該總線的模塊化檢測系統(tǒng)，巧妙利用TWI狀態(tài)寄存器，大大提高了TWI總線在該檢測系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和可靠性。

1 TWI模塊簡介
TWI通信接口簡單靈活，功能強(qiáng)大，非常適合應(yīng)用于微控制器系統(tǒng)。它支持主機(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；7位地址空間允許有128個(gè)從機(jī)；支持多主機(jī)仲裁；高達(dá)400 kHz的數(shù)據(jù)傳輸率；輸出驅(qū)動(dòng)器斜率受控；噪聲抑制器可以抑制總線尖峰；從機(jī)地址以及公共地址完全可編程；睡眠時(shí)地址匹配可以喚醒AVR。
如圖1所示，TWI模塊包括控制單元、比特率發(fā)生器單元、地址匹配單元、總線接口單元和SCL和SDA引腳，位于粗線之中的寄存器都可以通過AVR數(shù)據(jù)總線進(jìn)行訪問。其中TWAR寄存器的高7位為從機(jī)地址。工作于從機(jī)模式時(shí)，TWI總線將根據(jù)這個(gè)地址進(jìn)行響應(yīng)。

TWI的兩根線在工作時(shí)必須有上拉電阻，上拉電阻的實(shí)現(xiàn)既可以通過內(nèi)部的上拉電阻使能，也可以通過在硬件設(shè)計(jì)時(shí)增加上拉電阻。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)最好在外部硬件上增加上拉電阻，以防止程序遺漏使能上拉電阻。
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)。當(dāng)TWI上出現(xiàn)多個(gè)主機(jī)時(shí)，就會(huì)發(fā)生多主機(jī)仲裁。TWI多主機(jī)仲裁相對I2C總線的多主機(jī)仲裁，其特點(diǎn)就是除了依靠自身硬件的監(jiān)測之外，還可以通過軟件讀取TWSR狀態(tài)寄存器來判斷自己在總線中的精確狀態(tài)，以便為下一步動(dòng)作提供更精確的診斷依據(jù)。在編寫TWI總線驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，需要注意，只有當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，信號(hào)線SDA上的電平信息才有意義。

2 模塊化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
模塊化檢測系統(tǒng)主要功能是檢測各設(shè)備所采集到的相關(guān)信息，以便主機(jī)通過處理這些信息，給出相應(yīng)的控制策略。如圖2所示，主機(jī)使用的是ATmega128，從機(jī)使用的是ATmegal6。這種模塊化檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅簡化了硬件設(shè)計(jì)，也在一定程度上簡化了軟件的設(shè)計(jì)，使得各個(gè)檢測功能的程序在不同的設(shè)備上同時(shí)運(yùn)行。

3 TWI總線驅(qū)動(dòng)程序
3．1 主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序
在程序設(shè)計(jì)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷TWI工作狀態(tài)，需要在一定情況下，尤其是在總線出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤時(shí)，讀取TWSR狀態(tài)寄存器。同時(shí)為了增加程序的可讀性，將各種模式所需的TWI總線狀態(tài)進(jìn)行宏定義。
圖3是主機(jī)發(fā)送(MT)模式程序的流程。圖4為主機(jī)接收(MR)模式程序流程。

為了保證TWI總線的穩(wěn)定運(yùn)行，只有發(fā)送模式(MT)和接收模式(MR)程序是不夠的，還必須有一定的容錯(cuò)處理程序，以防止TWI總線在受到外界干擾時(shí)出現(xiàn)故障?？紤]本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是主機(jī)與從機(jī)不會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生變化的總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所以對于主機(jī)而言還要有容錯(cuò)處理程序，主要是MT、MR以及MT和MR之間切換時(shí)的容錯(cuò)處理程序。其具體代碼如下：


容錯(cuò)處理主要是通過讀取當(dāng)前TWI總線的狀態(tài)，針對不同的狀態(tài)做出不同的處理。這個(gè)程序中對TWI總線處于錯(cuò)誤狀態(tài)時(shí)的處理最為重要，可以防止TWI總線進(jìn)入死鎖。容錯(cuò)處理程序同時(shí)也包含了MT和MR模式，在使用TWI總線時(shí)主機(jī)只需要調(diào)用該程序就可實(shí)現(xiàn)MT或MR模式。
3．2 從機(jī)驅(qū)動(dòng)程序
由于對于主機(jī)而言，等待TWINT置位在任何情況下都能在很短的時(shí)間內(nèi)完成，所以對于MT和MR模式的程序都是通過軟件查詢TWINT位實(shí)現(xiàn)。但是對于從機(jī)而言，由于首先要接收主機(jī)發(fā)送的從機(jī)地址，并且主機(jī)并不是總是在訪問同一個(gè)從機(jī)，所以從機(jī)在接收主機(jī)發(fā)送的地址時(shí)，如使用軟件查詢方法，勢必要等待很長時(shí)間，這樣就浪費(fèi)了大量的時(shí)間。因此在從機(jī)ST和SR模式程序的設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用TWI中斷，這樣在等待TWINT置位期間可以執(zhí)行其他程序，有效地提高了程序的運(yùn)行效率。圖5為從機(jī)ST和SR模式程序流程，具體的ST和SR處理程序可以參考相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊，這里給出的只是ST和SR切換以及容錯(cuò)處理程序。當(dāng)TWINT置位時(shí)，進(jìn)入TWI中斷服務(wù)程序。

在從機(jī)TWI總線程序設(shè)計(jì)時(shí)，在等待TWINT置位期間TWI總線可能因?yàn)橥饨绺蓴_出現(xiàn)一些故障，所以容錯(cuò)處理程序不僅在TWI中斷服務(wù)程序得到調(diào)用，在等待TWINT置位期間也要調(diào)用該程序。從機(jī)的容錯(cuò)處理程序代碼如下：


4 系統(tǒng)測試
在模塊化檢測系統(tǒng)測試時(shí)，主要使用了以下從機(jī)檢測模塊：3個(gè)超聲波模塊、電子羅盤、紅外距離檢測模塊以及溫度檢測模塊。在系統(tǒng)測試時(shí)針對TWI總線，主要測試了總線的傳輸速度、實(shí)時(shí)響應(yīng)、出錯(cuò)率、抗干擾能力。測試時(shí)為便于觀察各個(gè)觀測量的狀態(tài)，使用了LCD顯示。測試過程中總線的比特率設(shè)定為100 kbps，通過觀測LCD顯示的變量，TWI總線實(shí)時(shí)響應(yīng)速度比較快。在外加電磁干擾的條件下，總線只有在極少數(shù)開機(jī)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，主要原因是開機(jī)時(shí)出現(xiàn)的浪涌電流。

結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的模塊化檢測系統(tǒng)，利用TWI總線作為各個(gè)器件通信的媒介，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建總線式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，簡化了硬件和軟件設(shè)計(jì)，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。在TWI總線驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)上，增加容錯(cuò)處理程序，使總線運(yùn)行更加穩(wěn)定和可靠，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。同時(shí)在從機(jī)TWI總線驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)時(shí)使用TWI中斷，合理安排各個(gè)功能程序的執(zhí)行時(shí)間，有效地提高了程序的運(yùn)行效率。