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  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);

  (4)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

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