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摘要：主要利用AVR單片機中的TWI模塊，構建了一個(gè)基于TWI總線(xiàn)的模塊化檢測系統。通過(guò)利用TWI總線(xiàn)相對于I2C總線(xiàn)的強大靈活性，增加了容錯處理程序，提高了總線(xiàn)的穩定性和可靠性，使得整個(gè)檢測系統的抗干擾性更強。在從機TWI程序設計上使用TWI中斷，消除了等待TWINT置住所浪費的時(shí)間，提高了程序的執行效率。 引言 隨著(zhù)設備信息化和智能化程度的不斷提高，設備間的通信變得愈加重要。目前，設備間的通信，尤其是多個(gè)設備間的通信，大多數都是依靠各種不同標準的總線(xiàn)實(shí)現的。通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現設備間的通信減少了物理連線(xiàn)，簡(jiǎn)化了硬件設計工作，同時(shí)也便于擴展。因此，總線(xiàn)，尤其是各種工業(yè)總線(xiàn)，得到了廣泛的應用。在智能化嵌入式系統設計中，有時(shí)由于各種外圍設備較多，也會(huì )應用總線(xiàn)解決通信的問(wèn)題。當今最為常見(jiàn)的是由Philips公司開(kāi)發(fā)的I2C總線(xiàn)，它用于連接微控制器及其外圍設備，增加了系統的安全性，方便了管理。而Atmel公司的TWI接口是I2C總線(xiàn)基礎上的繼承和發(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(xiàn)并不相同。另外TWI總線(xiàn)引入了狀態(tài)寄存器，使得TWI總線(xiàn)在操作和使用上比I2C總線(xiàn)更加靈活。本文主要利用TWI總線(xiàn)強大的靈活性，設計了基于該總線(xiàn)的模塊化檢測系統，巧妙利用TWI狀態(tài)寄存器，大大提高了TWI總線(xiàn)在該檢測系統中的穩定性和可靠性。 1 TWI模塊簡(jiǎn)介 TWI通信接口簡(jiǎn)單靈活，功能強大，非常適合應用于微控制器系統。它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;7位地址空間允許有128個(gè)從機;支持多主機仲裁;高達400 kHz的數據傳輸率;輸出驅動(dòng)器斜率受控;噪聲抑制器可以抑制總線(xiàn)尖峰;從機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(xiàn)接口單元和SCL和SDA引腳，位于粗線(xiàn)之中的寄存器都可以通過(guò)AVR數據總線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。其中TWAR寄存器的高7位為從機地址。工作于從機模式時(shí)，TWI總線(xiàn)將根據這個(gè)地址進(jìn)行響應。 TWI的兩根線(xiàn)在工作時(shí)必須有上拉電阻，上拉電阻的實(shí)現既可以通過(guò)內部的上拉電阻使能，也可以通過(guò)在硬件設計時(shí)增加上拉電阻。在實(shí)際應用時(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)。當TWI上出現多個(gè)主機時(shí)，就會(huì )發(fā)生多主機仲裁。TWI多主機仲裁相對I2C總線(xiàn)的多主機仲裁，其特點(diǎn)就是除了依靠自身硬件的監測之外，還可以通過(guò)軟件讀取TWSR狀態(tài)寄存器來(lái)判斷自己在總線(xiàn)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。在編寫(xiě)TWI總線(xiàn)驅動(dòng)程序時(shí)，需要注意，只有當時(shí)鐘信號為高電平時(shí)，信號線(xiàn)SDA上的電平信息才有意義。 2 模塊化檢測系統設計
3 TWI總線(xiàn)驅動(dòng)程序 3.1 主機驅動(dòng)程序 在程序設計時(shí)，為了實(shí)現準確判斷TWI工作狀態(tài)，需要在一定情況下，尤其是在總線(xiàn)出現傳輸錯誤時(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(xiàn)狀態(tài)進(jìn)行宏定義。
圖3是主機發(fā)送(MT)模式程序的流程。圖4為主機接收(MR)模式程序流程。 為了保證TWI總線(xiàn)的穩定運行，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處理程序，以防止TWI總線(xiàn)在受到外界干擾時(shí)出現故障�？紤]本文所設計的系統是主機與從機不會(huì )實(shí)時(shí)發(fā)生變化的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，所以對于主機而言還要有容錯處理程序，主要是MT、MR以及MT和MR之間切換時(shí)的容錯處理程序。其具體代碼如下：
容錯處理主要是通過(guò)讀取當前TWI總線(xiàn)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(xiàn)處于錯誤狀態(tài)時(shí)的處理最為重要，可以防止TWI總線(xiàn)進(jìn)入死鎖。容錯處理程序同時(shí)也包含了MT和MR模式，在使用TWI總線(xiàn)時(shí)主機只需要調用該程序就可實(shí)現MT或MR模式。 3.2 從機驅動(dòng)程序 由于對于主機而言，等待TWINT置位在任何情況下都能在很短的時(shí)間內完成，所以對于MT和MR模式的程序都是通過(guò)軟件查詢(xún)TWINT位實(shí)現。但是對于從機而言，由于首先要接收主機發(fā)送的從機地址，并且主機并不是總是在訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)從機，所以從機在接收主機發(fā)送的地址時(shí)，如使用軟件查詢(xún)方法，勢必要等待很長(cháng)時(shí)間，這樣就浪費了大量的時(shí)間。因此在從機ST和SR模式程序的設計時(shí)，需要使用TWI中斷，這樣在等待TWINT置位期間可以執行其他程序，有效地提高了程序的運行效率。圖5為從機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)的設計手冊，這里給出的只是ST和SR切換以及容錯處理程序。當TWINT置位時(shí)，進(jìn)入TWI中斷服務(wù)程序。
在從機TWI總線(xiàn)程序設計時(shí)，在等待TWINT置位期間TWI總線(xiàn)可能因為外界干擾出現一些故障，所以容錯處理程序不僅在TWI中斷服務(wù)程序得到調用，在等待TWINT置位期間也要調用該程序。從機的容錯處理程序代碼如下：
4 系統測試 在模塊化檢測系統測試時(shí)，主要使用了以下從機檢測模塊：3個(gè)超聲波模塊、電子羅盤(pán)、紅外距離檢測模塊以及溫度檢測模塊。在系統測試時(shí)針對TWI總線(xiàn)，主要測試了總線(xiàn)的傳輸速度、實(shí)時(shí)響應、出錯率、抗干擾能力。測試時(shí)為便于觀(guān)察各個(gè)觀(guān)測量的狀態(tài)，使用了LCD顯示。測試過(guò)程中總線(xiàn)的比特率設定為100 kbps，通過(guò)觀(guān)測LCD顯示的變量，TWI總線(xiàn)實(shí)時(shí)響應速度比較快。在外加電磁干擾的條件下，總線(xiàn)只有在極少數開(kāi)機時(shí)出現錯誤，主要原因是開(kāi)機時(shí)出現的浪涌電流。 結語(yǔ) 本文設計的模塊化檢測系統，利用TWI總線(xiàn)作為各個(gè)器件通信的媒介，并以此為基礎構建總線(xiàn)式拓撲網(wǎng)絡(luò )，簡(jiǎn)化了硬件和軟件設計，縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期。在TWI總線(xiàn)驅動(dòng)程序設計上，增加容錯處理程序，使總線(xiàn)運行更加穩定和可靠，提高了系統的抗干擾能力。同時(shí)在從機TWI總線(xiàn)驅動(dòng)程序設計時(shí)使用TWI中斷，合理安排各個(gè)功能程序的執行時(shí)間，有效地提高了程序的運行效率。 |
