Atmega16 单片机串口通信与外部中断介绍

一 串口通信

ATmega16 单片机带有一个全双工的通用同步/异步串行收发模块USART，该接口是一个高度灵活的串行通讯设备。其主要特点如下：

全双工操作，可同时进行收发操作；

支持同步或异步操作；

支持5、6、7、8 和9 位数据位，1 位或者2 位停止位的串行数据帧结构；

三个完全独立的中断，TX 发送完成，TX 发送数据寄存器空，RX 接收完成；

支持多机通讯模式；

相关寄存器：

USART 数据寄存器—UDR；

USART 控制和状态寄存器—UCSRA，UCSRB，UCSRC；

波特率寄存器—UBRRL 和UBRRH；

 

串口背景知识

（1）串行通讯简介

串行同步通讯容易理解，约定一个同步时钟，每一时刻传输线上的信息就是要传送的信息单元。串行异步通讯是把一个字符看作一个独立的信息单元，每一个字符中的各位是以固定的时间传送。因此，这种传送方式在同一字节内部是同步的，而字符间是异步的。在异步通信中收发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位，而在字符结束时发送1～2个停止位。当接收器检测到起始位时，便能知道经接着的是有效的字符位，于是开始接收字符，检测到停止位时，就将接收到的有效字符装载到接收缓冲器中。最简单的串口通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：

a，波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。

b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。

c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

d，奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步

 

通常异步通信的格式如图：

 

USART 接受以下30 种组合的数据帧格式：

&8226; 1 个起始位

&8226; 5、 6、 7、 8 或9 个数据位

&8226; 无校验位、奇校验或偶校验位

&8226; 1或2 个停止位

数据帧以起始位开始；紧接着是数据字的最低位，数据字最多可以有9 个数据位，以数据的最高位结束。如果使能了校验位，校验位将紧接着数据位，最后是结束位。当一个完整的数据帧传输后，可以立即传输下一个新的数据帧，或使传输线处于空闲状态。

数据帧的结构由UCSRB 和 UCSRC 寄存器中的UCSZ2:0、 UPM1:0、USBS 设定。接收与发送使用相同的设置。设置的任何改变都可能破坏正在进行的数据传送与接收。

（2）串口的组成

串口由阴阳两种接口组成。最常使用的信号引脚是TD、RD 和SG，因此最简单的串口调试只需要包含3 条引线就可以了。在RS232（一种串行工业总线标准）标准中，利用RD、TD 作为接收、发送信号线，加入地线，约定好通讯的波特率，实现串行信号传输。

（3）串口电平转换电路

PC 的串口工作TTL 信号是12V 的，而在我们一般使用的电路板上，电源信号和TTL 电平是5V 的（在低功耗电路中是3.3V 的），为了将信号转化为可用，需要做串口的电平转换。这一部分电路已经有相应的生产厂商做出了各种集成芯片，例如MAXIM 公司的MAX232/MAX233芯片，就是实现5V 电路中和PC 实现串口通信的电平转换芯片，而MAX3232/MAX3233 可以实现3.3V 的电平转换。

 

 

串口寄存器介绍

USART I/O 数据寄存器－ UDR

 

USART 发送数据缓冲寄存器和USART 接收数据缓冲寄存器共享相同的I/O 地址，称为USART 数据寄存器或UDR。将数据写入UDR 时实际操作的是发送数据缓冲器存器(TXB)，读UDR 时实际返回的是接收数据缓冲寄存器(RXB) 的内容。在5、6、7 比特字长模式下，未使用的高位被发送器忽略，而接收器则将它们设置为0。只有当UCSRA寄存器的UDRE标志置位后才可以对发送缓冲器进行写操作。如果UDRE没有置位，那么写入UDR 的数据会被USART 发送器忽略。当数据写入发送缓冲器后，若移位寄存器为空，发送器将把数据加载到发送移位寄存器。然后数据串行地从TxD 引脚输出。接收缓冲器包括一个两级FIFO，一旦接收缓冲器被寻址FIFO 就会改变它的状态。因此不要对这一存储单元使用读- 修改- 写指令(SBI 和CBI)。使用位查询指令(SBIC 和SBIS)时也要小心，因为这也有可能改变FIFO 的状态。

 

 

USART 控制和状态寄存器A －UCSRA

 

&8226; Bit 7 – RXC: USART 接收结束

接收缓冲器中有未读出的数据时RXC 置位，否则清零。接收器禁止时，接收缓冲器被刷新，导致RXC 清零。RXC 标志可用来产生接收结束中断( 见对RXCIE 位的描述)。

&8226; Bit 6 – TXC: USART 发送结束

发送移位缓冲器中的数据被送出，且当发送缓冲器 (UDR) 为空时TXC 置位。执行发送结束中断时TXC 标志自动清零，也可以通过写1 进行清除操作。TXC 标志可用来产生发送结束中断( 见对TXCIE 位的描述)。

 

&8226; Bit 5 – UDRE: USART 数据寄存器空

UDRE标志指出发送缓冲器(UDR)是否准备好接收新数据。UDRE为1说明缓冲器为空，已准备好进行数据接收。UDRE标志可用来产生数据寄存器空中断(见对UDRIE位的描述)。复位后UDRE 置位，表明发送器已经就绪。

&8226; Bit 4 – FE: 帧错误

如果接收缓冲器接收到的下一个字符有帧错误，即接收缓冲器中的下一个字符的第一个停止位为0，那么FE 置位。这一位一直有效直到接收缓冲器(UDR) 被读取。当接收到的停止位为1 时， FE 标志为0。对UCSRA 进行写入时，这一位要写0。

&8226; Bit 3 – DOR: 数据溢出

数据溢出时DOR 置位。当接收缓冲器满( 包含了两个数据)，接收移位寄存器又有数据，若此时检测到一个新的起始位，数据溢出就产生了。这一位一直有效直到接收缓冲器(UDR)被读取。对UCSRA 进行写入时，这一位要写0。

&8226; Bit 2 – PE: 奇偶校验错误

当奇偶校验使能(UPM1 = 1)，且接收缓冲器中所接收到的下一个字符有奇偶校验错误时UPE 置位。这一位一直有效直到接收缓冲器 (UDR) 被读取。对UCSRA 进行写入时，这一位要写0。

&8226; Bit 1 – U2X: 倍速发送

这一位仅对异步操作有影响。使用同步操作时将此位清零。此位置1 可将波特率分频因子从16 降到8，从而有效的将异步通信模式的传输速率加倍。

&8226; Bit 0 – MPCM: 多处理器通信模式

设置此位将启动多处理器通信模式。MPCM 置位后， USART 接收器接收到的那些不包含地址信息的输入帧都将被忽略。发送器不受MPCM设置的影响。详细信息请参考 P150“多处理器通讯模式” 。

 

 

USART 控制和状态寄存器B －UCSRB

 

&8226; Bit 7 – RXCIE: 接收结束中断使能

置位后使能RXC 中断。当RXCIE 为1，全局中断标志位SREG 置位， UCSRA 寄存器的RXC亦为1 时可以产生USART 接收结束中断。

&8226; Bit 6 – TXCIE: 发送结束中断使能

置位后使能TXC 中断。当TXCIE 为1，全局中断标志位SREG 置位，UCSRA 寄存器的TXC亦为1 时可以产生USART 发送结束中断。

&8226; Bit 5 – UDRIE: USART 数据寄存器空中断使能

置位后使能UDRE 中断。当UDRIE 为1，全局中断标志位SREG 置位，UCSRA 寄存器的UDRE亦为1 时可以产生USART 数据寄存器空中断。

&8226; Bit 4 – RXEN: 接收使能

置位后将启动USART 接收器。RxD 引脚的通用端口功能被USART 功能所取代。禁止接收器将刷新接收缓冲器，并使 FE、DOR 及PE 标志无效。

 

&8226; Bit 3 – TXEN: 发送使能

置位后将启动将启动USART 发送器。TxD 引脚的通用端口功能被USART 功能所取代。TXEN 清零后，只有等到所有的数据发送完成后发送器才能够真正禁止，即发送移位寄存器与发送缓冲寄存器中没有要传送的数据。发送器禁止后，TxD引脚恢复其通用I/O功能。

&8226; Bit 2 – UCSZ2: 字符长度

UCSZ2与UCSRC寄存器的UCSZ1:0结合在一起可以设置数据帧所包含的数据位数(字符长度)。

&8226; Bit 1 – RXB8: 接收数据位 8

对9 位串行帧进行操作时，RXB8 是第9 个数据位。读取UDR 包含的低位数据之前首先要读取RXB8。

&8226; Bit 0 – TXB8: 发送数据位8

对9 位串行帧进行操作时，TXB8 是第9 个数据位。写UDR 之前首先要对它进行写操作。

 

 

USART 控制和状态寄存器C －UCSRC

 

&8226; Bit 7 – URSEL: 寄存器选择

通过该位选择访问UCSRC 寄存器或UBRRH 寄存器。当读UCSRC 时，该位为1 ；当写UCSRC时， URSEL 为1。

&8226; Bit 6 – UMSEL: USART 模式选择

通过这一位来选择同步或异步工作模式。

&8226; Bit 5:4 – UPM1:0: 奇偶校验模式

这两位设置奇偶校验的模式并使能奇偶校验。如果使能了奇偶校验，那么在发送数据，发送器都会自动产生并发送奇偶校验位。对每一个接收到的数据，接收器都会产生一奇偶值，并与UPM0 所设置的值进行比较。如果不匹配，那么就将UCSRA 中的PE 置位。

&8226; Bit 3 – USBS: 停止位选择

通过这一位可以设置停止位的位数。接收器忽略这一位的设置。

&8226; Bit 2:1 – UCSZ1:0: 字符长度

UCSZ1:0与UCSRB寄存器的 UCSZ2结合在一起可以设置数据帧包含的数据位数(字符长度)。

&8226; Bit 0 – UCPOL: 时钟极性

这一位仅用于同步工作模式。使用异步模式时，将这一位清零。UCPOL 设置了输出数据的改变和输入数据采样，以及同步时钟XCK 之间的关系。

 

 

USART 波特率寄存器－ UBRRL和UBRRH

 

UCSRC寄存器与UBRRH寄存器共用相同的I/O地址。

&8226; Bit 15 – URSEL: 寄存器选择

通过该位选择访问UCSRC 寄存器或
UBRRH 寄存器。当读UBRRH 时，该位为0 ；当写UBRRH 时， URSEL 为0。

 

&8226; Bit 14:12 – 保留位

这些位是为以后的使用而保留的。为了与以后的器件兼容，写UBRRH 时将这些位清零。

&8226; Bit 11:0 – UBRR11:0: USART 波特率寄存器

这个12 位的寄存器包含了USART 的波特率信息。其中UBRRH 包含了USART 波特率高4位，UBRRL 包含了低8 位。波特率的改变将造成正在进行的数据传输受到破坏。写UBRRL 将立即更新波特率分频器。

 

 

 

进行通信之前首先要对USART 进行初始化。初始化过程通常包括波特率的设定，帧结构的设定，以及根据需要使能接收器或发送器。对于中断驱动的USART 操作，在初始化时首先要清零全局中断标志位( 全局中断被屏蔽)

串口初始化：

使用串口->使能接收 ->使能发送->波特率（本例使用 9600）->奇偶校验（disable）->数据位数（8bit）->中断（RX Complete interrupt）

 

 

//ICC-AVR application builder : 2007-5-10 下午 08:51:56

// Target : M16

// Crystal: 11.059Mhz

 

//UART0 initialisation

// desired baud rate: 9600

// actual: baud rate:9600 (0.0%)

// char size: 8 bit

// parity: Disabled

void uart0_init(void)

{

UCSRB = 0x00; //disable while setting baud rate

UCSRA = 0x00;

UCSRC = 0x86;

UBRRL = 0x47; //set baud rate lo

UBRRH = 0x00; //set baud rate hi

UCSRB = 0x98;

}

//省略了端口初始化

//call this routine to initialise all peripherals

void init_devices(void)

{

//stop errant interrupts until set up

CLI(); //disable all interrupts

port_init();

uart0_init(); //注意这句 调用串口初始化

 

MCUCR = 0x00;

GICR = 0x00;

TIMSK = 0x00; //timer interrupt sources

SEI(); //re-enable interrupts

//all peripherals are now initialised

 

接收模块（中断接受）：

#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:12

void uart0_rx_isr(void)

{

//uart has received a character in UDR

Data = UDR;

}

注意：Data 必须是全局变量才能从函数中返回得到的值。

 

发送模块（查询发送）：

void USART_Transmit( unsigned char data )

{

/* Wait for empty transmit buffer */

while ( !( UCSRA & (1<

/* Put data into buffer, sends the data */

UDR = data;

}

小提示：

如果接受到一个字符后，马上回复，只需要在接收中断函数的最后写值到UDR 中即可：

如：#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:12

void uart0_rx_isr(void)

{ //uart has received a character in UDR

Data = UDR; //从电脑接收的数据附值给变量 Data

UDR = Send_data; //将要发送的数据放到缓存区 Send_data与Data可以相同

}

注：Send_data,Data 必须是全局变量才能从函数中返回得到的值。

 

 

 

二 外部中断

首先回顾一下中断的含义。所谓中断，是指当计算机执行正常程序时，系统中出现某些急需处理的异常情况和特殊请求， CPU暂时中止现行程序，转去对随机发生的更紧迫事件进行处理，处理完成后返回原来的程序继续执行。前面讲的定时器中断和串口中断是中断的两种，现在介绍外部中断。

Atmega 16有三个外部中断源，通过引脚INT0、INT1 与INT2 触发。中断可以由下降沿、上升沿，或者是低电平触发(INT2 为边沿触发中断)。当外部中断使能并且配置为电平触发( INT0/INT1)，只要引脚电平为低，中断就会产生。

跟其他中断使用一样，使用外部中断也要使能该中断。

 

 

通用中断控制寄存器－ GICR

 

 

&8226; Bit 7 – INT1: 使能外部中断请求1

当INT1 为'1’，而且状态寄存器SREG 的I 标志置位，相应的外部引脚中断就使能了。MCU通用控制寄存器– MCUCR的中断敏感电平控制1位 1/0 (ISC11与ISC10)决定中断是由上升沿、下降沿，还是INT1 电平触发的。只要使能，即使INT1 引脚被配置为输出，只要引脚电平发生了相应的变化，中断可将产生。

&8226; Bit 6 – INT0: 使能外部中断请求 0

&8226; Bit 5 – INT2: 使能外部中断请求2

 

功能与使能外部中断请求1 相同

 

 

MCU 控制寄存器－ MCUCR MCU 控制寄存器包含中断触发控制位与通用MCU 功能

 

&8226; Bit 3, 2 – ISC11, ISC10: 中断1触发方式控制

外部中断1 由引脚INT1 激发，如果SREG 寄存器的I 标志位和相应的中断屏蔽位置位的话。触发方式如Table 34 所示。在检测边沿前MCU 首先采样INT1 引脚上的电平。如果选择了边沿触发方式或电平变化触发方式，那么持续时间大于一个时钟周期的脉冲将触发中断，过短的脉冲则不能保证触发中断。如果选择低电平触发方式，那么低电平必须保持到当前指令执行完成。

 

 

&8226; Bit 1, 0 – ISC01, ISC00: 中断0 触发方式控制

功能与中断1触发方式控制相同

 

 

MCU 控制与状态寄存器－MCUCSR

 

&8226; Bit 6 – ISC2: 中断2 触发方式控制

异步外中断2 由外部引脚INT2 激活，如果SREG 寄存器的I 标志和GICR 寄存器相应的中断屏蔽位置位的话。若ISC2 写0， INT2 的下降沿激活中断。 若ISC2 写1， INT2 的上升沿激活中断。 INT2 的边沿触发方式是异步的。只要INT2 引脚上产生宽度大于Table 36所示数据的脉冲就会引发中断。若选择了低电平中断，低电平必须保持到当前指令完成，然后才会产生中断。而且只要将引脚拉低，就会引发中断请求。改变ISC2 时有可能发生中断。因此建议首先在寄存器GICR 里清除相应的中断使能位INT2，然后再改变ISC2。最后，不要忘记在重新使能中断之前通过对GIFR 寄存器的相应中断标志位INTF2 写'1’使其清零。

 

 

通用中断标志寄存器－ GIFR

 

&8226; Bit 7 – INTF1: 外部中断标志1

INT1引脚电平发生跳变时触发中断请求，并置位相应的中断标志INTF1。如果SREG的位I以及GICR寄存器相应的中断使能位INT1为”1”，MCU即跳转到相应的中断向量。进入中断服务程序之后该标志自动清零。此外，标志位也可以通过写入”1” 来清零。

&8226; Bit 6 – INTF0: 外部中断标志 0

&8226; Bit 5 – INTF2: 外部中断标志2

功能与外部中断标志1 相同

 

外部中断初始化：

使用中断IT0、IT1、IT2（具体根据实际情况选定）—— 选择个中断触发方式

（本例IT0低电平、IT1下降沿、IT2上升沿）

 

 

//ICC-AVR application builder : 2007-5-11 上午 10:35:17

// Target : M16

// Crystal: 11.059Mhz

 

#include

#include

省略端口初始化

#pragma interrupt_handler int0_isr:2

void int0_isr(void) //中断0

{

//external interupt on INT0

}

 

#pragma interrupt_handler int1_isr:3

void int1_isr(void) //中断1

{

//external interupt on INT1

}

 

#pragma interrupt_handler int2_isr:19

void int2_isr(void) 中断2

{

//external interupt on INT2

}

 

//call this routine to initialise all peripherals

void init_devices(void)

{

//stop errant interrupts until set up

CLI(); //disable all interrupts

port_init();

 

MCUCR = 0x08; //INT0、INT1 触发方式

MCUCSR = 0x40; //INT2 触发方式 （这句要人工输入）

GICR = 0xE0;

TIMSK = 0x00; //timer interrupt sources

SEI(); //re-enable interrupts

//all peripherals are now initialised

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

简单实例参考程序

为了进一步理解串口和外部中断的使用，下面给出一简单实例。程序功能包含了串口和外部中断，注意程序main函数while循环体中为空，说明单片机上电以后什么也不干，外部中断INT0，INT1，INT2分别为低电平，下降沿，上升沿触发。INT0触发后PORTA0为高，INT1触发后PORTA1为高，INT2触发后PORTA2为高。串口接受中断为边收边发——从电脑发送一数据给单片机后，单片机马上又把该数据发送给电脑。请仔细体会，然后做后面的练习题。

//ICC-AVR application builder : 2007-5-11 ÏÂÎç 09:56:04
// Target : M16
// Crystal: 11.059Mhz

#include
#include

unsigned int Data="0";
void port_init(void)
{
PORTA = 0x00;
DDRA = 0xFF;
PORTB = 0xFF;
DDRB = 0x00;
PORTC = 0xFF; //m103 output only
DDRC = 0x00;
PORTD = 0xFF;
DDRD = 0x00;
}

//UART0 initialisation
// desired baud rate: 9600
// actual: baud rate:9600 (0.0%)
// char size: 8 bit
// parity: Disabled
void uart0_init(void)
{
UCSRB = 0x00; //disable while setting baud rate
UCSRA = 0x00;
UCSRC = 0x86;
UBRRL = 0x47; //set baud rate lo
UBRRH = 0x00; //set baud rate hi
UCSRB = 0x98;
}

#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:12
void uart0_rx_isr(void) //接收模块
{
Data = UDR; //从电脑接受数据
//uart has received a character in UDR
UDR = Data; //将该数据发送给电脑，这样做的目的是为了调试

具体使用根据实际要求编写， 如果不要发送给电脑就删除此句
}

#pragma interrupt_handler int0_isr:2
void int0_isr(void)
{
PORTA = 0x01; //中断0的函数体，在此写入INT0触发后要做的事 
//external interupt on INT0
}

#pragma interrupt_handler int1_isr:3
void int1_isr(void)
{
PORTA = 0x02; //中断1的函数体，在此写入INT1触发后要做的事
//external interupt on INT1
}

#pragma interrupt_handler int2_isr:19
void int2_isr(void)
{
PORTA = 0x04; //中断2的函数体，在此写入INT2触发后要做的事
//external interupt on INT2
}

//call this routine to initialise all peripherals
void init_devices(void)
{
//stop errant interrupts until set up
CLI(); //disable all interrupts
port_init();
uart0_init();

MCUCR = 0x08;
MCUCSR = 0x40; //INT2 （这句要人工输入）

GICR = 0xE0;
TIMSK = 0x00; //timer interrupt sources
SEI(); //re-enable interrupts
//all peripherals are now initialised
}

void USART_Transmit( unsigned char data ) //发送模块，该程序没用到
{
/* Wait for empty transmit buffer */
while ( !( UCSRA & (1< /* Put data into buffer, sends the data */
UDR = data;
}

void main()
{
init_devices();
while(1) 
{
;

}
}