基于AVR单片机TWI的模块化检测系统设计

引言
    随着设备信息化和智能化程度的不断提高，设备间的通信变得愈加重要。目前，设备间的通信，尤其是多个设备间的通信，大多数都是依靠各种不同标准的总线实现的。通过总线实现设备间的通信减少了物理连线，简化了硬件设计工作，同时也便于扩展。因此，总线，尤其是各种工业总线，得到了广泛的应用。在智能化嵌入式系统设计中，有时由于各种外围设备较多，也会应用总线解决通信的问题。当今最为常见的是由Philips公司开发的I2C总线，它用于连接微控制器及其外围设备，增加了系统的安全性，方便了管理。而Atmel公司的TWI接口是I2C总线基础上的继承和发展，它定义了自己的功能模块和寄存器，其寄存器各位功能的定义与I2C总线并不相同。另外TWI总线引入了状态寄存器，使得TWI总线在操作和使用上比I2C总线更加灵活。本文主要利用TWI总线强大的灵活性，设计了基于该总线的模块化检测系统，巧妙利用TWI状态寄存器，大大提高了TWI总线在该检测系统中的稳定性和可靠性。

1 TWI模块简介
    TWI通信接口简单灵活，功能强大，非常适合应用于微控制器系统。它支持主机和从机操作；器件可以工作于发送器模式或接收器模式；7位地址空间允许有128个从机；支持多主机仲裁；高达400 kHz的数据传输率；输出驱动器斜率受控；噪声抑制器可以抑制总线尖峰；从机地址以及公共地址完全可编程；睡眠时地址匹配可以唤醒AVR。
    如图1所示，TWI模块包括控制单元、比特率发生器单元、地址匹配单元、总线接口单元和SCL和SDA引脚，位于粗线之中的寄存器都可以通过AVR数据总线进行访问。其中TWAR寄存器的高7位为从机地址。工作于从机模式时，TWI总线将根据这个地址进行响应。

    TWI的两根线在工作时必须有上拉电阻，上拉电阻的实现既可以通过内部的上拉电阻使能，也可以通过在硬件设计时增加上拉电阻。在实际应用时最好在外部硬件上增加上拉电阻，以防止程序遗漏使能上拉电阻。
    TWI可以工作于4种不同的模式，即主机发送模式(MT)、主机接收模式(MR)、从机发送模式(ST)和从机接收器模式(SR)。当TWI上出现多个主机时，就会发生多主机仲裁。TWI多主机仲裁相对I2C总线的多主机仲裁，其特点就是除了依靠自身硬件的监测之外，还可以通过软件读取TWSR状态寄存器来判断自己在总线中的精确状态，以便为下一步动作提供更精确的诊断依据。在编写TWI总线驱动程序时，需要注意，只有当时钟信号为高电平时，信号线SDA上的电平信息才有意义。[page]

2 模块化检测系统设计
    模块化检测系统主要功能是检测各设备所采集到的相关信息，以便主机通过处理这些信息，给出相应的控制策略。如图2所示，主机使用的是ATmega128，从机使用的是ATmegal6。这种模块化检测系统的设计不仅简化了硬件设计，也在一定程度上简化了软件的设计，使得各个检测功能的程序在不同的设备上同时运行。

3 TWI总线驱动程序
3．1 主机驱动程序
    在程序设计时，为了实现准确判断TWI工作状态，需要在一定情况下，尤其是在总线出现传输错误时，读取TWSR状态寄存器。同时为了增加程序的可读性，将各种模式所需的TWI总线状态进行宏定义。
    图3是主机发送(MT)模式程序的流程。图4为主机接收(MR)模式程序流程。

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    为了保证TWI总线的稳定运行，只有发送模式(MT)和接收模式(MR)程序是不够的，还必须有一定的容错处理程序，以防止TWI总线在受到外界干扰时出现故障。考虑本文所设计的系统是主机与从机不会实时发生变化的总线网络系统，所以对于主机而言还要有容错处理程序，主要是MT、MR以及MT和MR之间切换时的容错处理程序。其具体代码如下：


    容错处理主要是通过读取当前TWI总线的状态，针对不同的状态做出不同的处理。这个程序中对TWI总线处于错误状态时的处理最为重要，可以防止TWI总线进入死锁。容错处理程序同时也包含了MT和MR模式，在使用TWI总线时主机只需要调用该程序就可实现MT或MR模式。[page]

 

3．2 从机驱动程序
    由于对于主机而言，等待TWINT置位在任何情况下都能在很短的时间内完成，所以对于MT和MR模式的程序都是通过软件查询TWINT位实现。但是对于从机而言，由于首先要接收主机发送的从机地址，并且主机并不是总是在访问同一个从机，所以从机在接收主机发送的地址时，如使用软件查询方法，势必要等待很长时间，这样就浪费了大量的时间。因此在从机ST和SR模式程序的设计时，需要使用TWI中断，这样在等待TWINT置位期间可以执行其他程序，有效地提高了程序的运行效率。图5为从机ST和SR模式程序流程，具体的ST和SR处理程序可以参考相关的设计手册，这里给出的只是ST和SR切换以及容错处理程序。当TWINT置位时，进入TWI中断服务程序。

    在从机TWI总线程序设计时，在等待TWINT置位期间TWI总线可能因为外界干扰出现一些故障，所以容错处理程序不仅在TWI中断服务程序得到调用，在等待TWINT置位期间也要调用该程序。从机的容错处理程序代码如下：


4 系统测试
    在模块化检测系统测试时，主要使用了以下从机检测模块：3个超声波模块、电子罗盘、红外距离检测模块以及温度检测模块。在系统测试时针对TWI总线，主要测试了总线的传输速度、实时响应、出错率、抗干扰能力。测试时为便于观察各个观测量的状态，使用了LCD显示。测试过程中总线的比特率设定为100 kbps，通过观测LCD显示的变量，TWI总线实时响应速度比较快。在外加电磁干扰的条件下，总线只有在极少数开机时出现错误，主要原因是开机时出现的浪涌电流。

结语
    本文设计的模块化检测系统，利用TWI总线作为各个器件通信的媒介，并以此为基础构建总线式拓扑网络，简化了硬件和软件设计，缩短了系统的开发周期。在TWI总线驱动程序设计上，增加容错处理程序，使总线运行更加稳定和可靠，提高了系统的抗干扰能力。同时在从机TWI总线驱动程序设计时使用TWI中断，合理安排各个功能程序的执行时间，有效地提高了程序的运行效率。