AVR307使用USI做半双工UART..docVIP

精选AVR应用笔记 AVR307: 使用USI做半双工UART 翻译：邵子扬 2006年7月22日 shaoziyang@ 特点： 半双工通信 使用14.75M晶体时通信速度可以达到230.4kbps 通信使用中断控制 8位数据位，1个停止位，无校验位 数据缓存 介绍 很多AVR单片机中（如ATtiny26、ATtiny2313、ATmega169等）内置了通用串行接口（USI）。USI模块的设计目的是用于TWI或SPI串行通信的，但是USI不仅仅只能用于这两种串行通信，它也可以用于UART串行通信。 使用USI进行UART通信，可以避免使用麻烦的软件UART。使用USI时，由中断来控制数据自动进行移位，这样减少了处理时间，单片机可以有更多时间处理其它的事情。 这篇应用笔记说明了怎样使用ATtiny26的USI进行UART通信，同时提供了接收和发送的源代码。只要很少的修改，代码也可以用于ATtiny2313和ATmega169。代码带有完整的接收和发送数据缓冲处理，如果需要优化资源也可以将这个特点删除。 理论 UART协议是异步串行通信标准，帧格式是一个起始位后紧跟5到9位数据位，一个校验位（可选）和1至2位停止位，数据发送是LSB（低位在前）。帧格式如图1 所示。 图1. UART通信帧格式 USI是一个基本的 8 位移位寄存器，连接到输入和输出引脚。当用于UART通信时，用一个定时器控制移入/移出数据，当一定数量的位移入/移出后产生USI计数中断。USI框图如图2。 图2 ATtiny26的USI接口 因为UART的帧格式总共是7到13位，典型是10位。USI移位寄存器的宽度小于它，不过可以使用利用USI模块回绕的特点来解决这个限制。 UART接收 接收的解决方法建议检测起始位，然后在合适时间里采样8个数据位（忽略停止位）。数据位的第一次采样位于一位的中间，然后用固定周期连续采样，采样间隔由波特率决定。因为移位寄存器只有8位，而起始位不用保存，最后一个数据位移入就完成。这个方法是从第一位数据开始采样的，因为定时器/计数器0容易使用，用来控制延时和位速率。更多关于位速率内容请参考“位速率”一节。 应当意思到AVR单片机硬件UART、软件UART通信和使用USI模块之间一个不同是输入数据是怎样采样的。硬件UART采用了三次采样多数决定，消除了噪声引起的数据错误。在大部分完全或部分软件UART中只对数据采样一次，这也是USI模块的方式，这样噪声引起数据错误的概率增加了。这也是使用校验位的重要原因之一，校验位没有在本文中探讨。另一种解决方法是使用CRC校验，它在应用笔记AVR350中信息说明。 UART发送 UART发送稍微复杂一点：帧需要分成两部分。USI移位寄存器的MSB直接连到USI的数据输出引脚，为了保证正确的时序，MSB需要保持高直到定时器开始移位数据。USI移位寄存器载入高，即起始位，以及数据的开始 6 位 LSB，然后初始化发送。当数据的前 5 位发送后重新载入移位寄存器，将数据的其余部分送入。载入/重载入 USI 寄存器（USIDR）的过程如图3 。 图3. 载入发送缓存USIDR USI模式 USI可以选择不同的通信模式，或者叫“线模式“，但是USI是为了SPI和TWI通信设计的，没有UART通信模块。线模式可以选择为“三线“（SPI）或者“两线“（TWI），UART通信选择SPI模式，因为这种模式的数据收线发是分开的。 在两种线模式下，USI都可以产生称为起始条件中断。在SPI模式下起始条件中断由 SCK 引脚的改变触发，但是说明是从 DI（数据输入）唤醒，因此最好使用引脚改变中断。AVR 单片机在各种休眠模式下都可以被引脚改变中断唤醒，所以最好使用它来检测 UART 的起始位。然后在中断程序中处理 UART 接收。SCK 引脚没有使用，可以用于其它用途。 位速率 8位的定时器/计数器用来指定串行通信的位速率。对于 ATtiny26 使用定时器溢出来触发 USI 移位寄存器，对于 ATmega169 使用比较来触发移位寄存器。定时器种子（初值）由公式1决定。 图4. 公式1 如果定时器种子接近定时器的最大值，就要意识到取整后会引入较大的误差。取整误差应当越小越好，因为总的时间误差要小于2%才能保证通信正确－它包括了系统时钟的精度和UART定时误差。 当使用高速通信时，容易出现定时器种子接近定时器最大值。这时在中断之间只有很少的时钟周期，足以引起中断服务程序发生错误。推荐仔细安排定时器中断服务程序需要的周期数，特别要注意对于存在可能阻塞定时器中断的其它中断。此外，还要将中断潜伏作为重要的的参数来考虑，并根据它来修正定时器种子。