42AVR單片機(jī)的主要內(nèi)部資源與應(yīng)用

1、4.2 AVR單片機(jī)的SPI接口一、SPI接口:串行外設(shè)接口SPI 允許ATmega16 和外設(shè)或其他AVR 器件進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。1、ATmega16 SPI 的特點(diǎn)如下：全雙工，3 線同步數(shù)據(jù)傳輸，SS#,SCK,MISO,MOSI;主機(jī)或從機(jī)操作 LSB 首先發(fā)送或MSB 首先發(fā)送7 種可編程的比特率傳輸結(jié)束中斷標(biāo)志寫碰撞標(biāo)志檢測可以從閑置模式喚醒2、SPI工作過程主機(jī)和從機(jī)之間的SPI 連接如下圖 所示。 系統(tǒng)包括兩個(gè)移位寄存器和一個(gè)主機(jī)時(shí)鐘發(fā)生器。通過將需要的從機(jī)的 SS# 引腳拉低，主機(jī)啟動一次通訊過程。主機(jī)和從機(jī)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的移位寄存器。主機(jī)在SCK 引腳上產(chǎn)生

2、時(shí)鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機(jī)的數(shù)據(jù)從主機(jī)的MOSI 移出，從從機(jī)的MOSI 移入；從機(jī)的數(shù)據(jù)從從機(jī)的MISO 移出，從主機(jī)的MISO 移入。主機(jī)通過將從機(jī)的SS# 拉高實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的同步。 配置為SPI 主機(jī)時(shí)， SPI 接口不自動控制 SS# 引腳，必須由用戶軟件來處理。 對 SPI 數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)即啟動SPI 時(shí)鐘，將8 比特的數(shù)據(jù)移入從機(jī)。傳輸結(jié)束后SPI 時(shí)鐘停止，傳輸結(jié)束標(biāo)志SPIF 置位。如果此時(shí)SPCR 寄存器的SPI 中斷使能位SPIE 置位，中斷就會發(fā)生。主機(jī)可以繼續(xù)往SPDR 寫入數(shù)據(jù)以移位到從機(jī)中去，或者是將從機(jī)的SS# 拉高以說明數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。最后進(jìn)來的數(shù)據(jù)將一直保存于

3、緩沖寄存器里。 配置為從機(jī)時(shí)，只要SS#為高，SPI 接口將一直保持睡眠狀態(tài)，并保持MISO 為三態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下軟件可以更新SPI 數(shù)據(jù)寄存器SPDR 的內(nèi)容。即使此時(shí)SCK 引腳有輸入時(shí)鐘，SPDR 的數(shù)據(jù)也不會移出，直至SS 被拉低。一個(gè)字節(jié)完全移出之后，傳輸結(jié)束標(biāo)志SPIF置位。如果此時(shí)SPCR寄存器的SPI中斷使能位SPIE置位，就會產(chǎn)生中斷請求。在讀取移入的數(shù)據(jù)之前從機(jī)可以繼續(xù)往SPDR 寫入數(shù)據(jù)。最后進(jìn)來的數(shù)據(jù)將一直保存于緩沖寄存器里。 SPI 系統(tǒng)的發(fā)送方向只有一個(gè)緩沖器，而在接收方向有兩個(gè)緩沖器。也就是說，在發(fā)送時(shí)一定要等到移位過程全部結(jié)束后才能對SPI 數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行寫操作

4、。而在接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要在下一個(gè)字符移位過程結(jié)束之前通過訪問SPI 數(shù)據(jù)寄存器讀取當(dāng)前接收到的字符。否則第一個(gè)字節(jié)將丟失。 工作于SPI 從機(jī)模式時(shí)，控制邏輯對SCK 引腳的輸入信號進(jìn)行采樣。為了保證對時(shí)鐘信號的正確采樣， SPI 時(shí)鐘不能超過fosc/4。 SPI 使能后，MOSI、MISO、SCK 和SS#引腳的數(shù)據(jù)方向?qū)凑障卤?所示自動進(jìn)行配置。3、SPI 控制寄存器 SPCR（1）SPIE: 使能SPI 中斷。置位后，只要SPI 狀態(tài)寄存器SPSR 的SPIF位和狀態(tài)寄存器SREG 的全局中斷使能位I置位，就會引發(fā)SPI 中斷。(2) SPE: 使能SPI。SPE置位將使能SPI。進(jìn)行

5、任何SPI 操作之前必須置位SPE。(3) DORD: 數(shù)據(jù)次序。DORD 置位時(shí)數(shù)據(jù)的LSB 首先發(fā)送；否則數(shù)據(jù)的MSB 首先發(fā)送。(4) MSTR: 主/ 從選擇。MSTR置位時(shí)選擇主機(jī)模式，否則為從機(jī)。如果MSTR為“1”，SS#配置為輸入，但被拉低，則MSTR 被清零，SPSR 的SPIF 置位。用戶必須重新設(shè)置MSTR 進(jìn)入主機(jī)模式。所以，主機(jī)模式下，常用主機(jī)的SS#控制從機(jī)的SS#.CPOL: 時(shí)鐘極性。CPOL=0， 起始沿：上升沿，結(jié)束沿:下降沿;CPOL=1， 起始沿：下升沿，結(jié)束沿:上降沿;CPHA: 時(shí)鐘相位。SPR1, SPR0: SPI 時(shí)鐘速率選擇。確定主機(jī)的SCK

6、 速率， 對從機(jī)沒有影響。4、SPI 狀態(tài)寄存器 SPSRSPIF: SPI 中斷標(biāo)志。串行發(fā)送結(jié)束后，SPIF 置位。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后SPIF自動清零?；蛘呖梢酝ㄟ^先讀SPSR，緊接著訪問SPDR來對SPIF清零。WCOL: 寫碰撞標(biāo)志。在發(fā)送當(dāng)中對SPI 數(shù)據(jù)寄存器SPDR寫數(shù)據(jù)將置位WCOL。WCOL可以通過先讀SPSR，緊接著訪問SPDR 來清零。SPI2X: SPI 倍速。置位后SPI 的速度加倍。若為主機(jī)則SCK 頻率可達(dá)CPU 頻率的一半。若為從機(jī)，最高只能保證fosc /4。數(shù)據(jù)寄存器 SPDR（八位）：讀/寫寄存器，用來在寄存器文件和SPI移位寄存器之間傳輸數(shù)據(jù)。寫寄存器將

7、啟動數(shù)據(jù)傳輸，讀寄存器將讀取寄存器的接收緩沖器。數(shù)據(jù)模式：相對于串行數(shù)據(jù)， SCK 的相位CPHA和極性CPOL有4 種組合。每一位數(shù)據(jù)的移出和移入發(fā)生于SCK不同的信號跳變沿，以保證有足夠的時(shí)間使數(shù)據(jù)穩(wěn)定。設(shè)置設(shè)置設(shè)置SPI主機(jī)模式下的寫、讀數(shù)據(jù)程序：.include m16def.inc .org $00 rjmp main .org $20main: ldi r16,high(ramend) out sph,r16 ldi r16,low(ramend) out spl,r16 cli sbi ddrb,4 ;ss#_pb4 sbi ddrb,5 ;mosi_pb5 sbi ddrb,7

8、 ;sck_pb7 cbi ddrb,6 ;miso_pb6 cbi portb,4 sbi portb,6 ldi r16,0 out spsr,r16 ;SPI速度不倍增ldi r16,0b01010001 ;0 x51,or $51out spcr,r16 ldi r16,0b10101010 ;0 x55 or $55,SPI要發(fā)送的數(shù)據(jù)out spdr,r16 loop: in r16,spsr ;讀取發(fā)送狀態(tài) sbrs r16,7 ;判斷發(fā)送是否完成 rjmp loop in r16,spdrloop1: sbrs r16,7 ;判斷接收是否完成 rjmp loop1 in r16

9、,spdr ;讀取數(shù)據(jù)wait: rjmp wait二、16位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器1（定時(shí)( 事件管理)、波形產(chǎn)生和信號測量）1特點(diǎn)：真正的16 位設(shè)計(jì)( 即允許16 位的PWM)2 個(gè)獨(dú)立的輸出比較單元雙緩沖的輸出比較寄存器一個(gè)輸入捕捉單元輸入捕捉噪聲抑制器比較匹配發(fā)生時(shí)清除寄存器( 自動重載)無干擾脈沖，相位正確的PWM可變的PWM 周期頻率發(fā)生器外部事件計(jì)數(shù)器4 個(gè)獨(dú)立的中斷源(TOV1、 OCF1A、OCF1B 與ICF1)2、C/T主要功能介紹（1）T/C 時(shí)鐘源：可以來自內(nèi)部，也可來自外部，由位于T/C控制寄存器B(TCCR1B) 的時(shí)鐘選擇位(CS12:0) 決定。（2）計(jì)數(shù)器單元：1

10、6 位T/C 的主要部分是可編程的16 位雙向計(jì)數(shù)器單元。（3）輸入捕捉單元：可用來捕獲外部事件，并為其賦予時(shí)間標(biāo)記以說明此時(shí)間的發(fā)生時(shí)刻。外部事件發(fā)生的觸發(fā)信號由引腳ICP1 輸入，也可通過模擬比較器單元來實(shí)現(xiàn)。時(shí)間標(biāo)記可用來計(jì)算頻率、占空比及信號的其它特征，以及為事件創(chuàng)建日志。（4）輸入捕捉觸發(fā)源：輸入捕捉單元的主要觸發(fā)源是ICP1。T/C1 還可用模擬比較輸出作為輸入捕捉單元的觸發(fā)源。用戶必須通過設(shè)置模擬比較控制與狀態(tài)寄存器ACSR 的模擬比較輸入捕捉位ACIC 來做到這一點(diǎn)。要注意的是，改變觸發(fā)源有可能造成一次輸入捕捉。因此在改變觸發(fā)源后必須對輸入捕捉標(biāo)志執(zhí)行一次清零操作以避免出現(xiàn)錯(cuò)誤

11、的結(jié)果。（5）噪聲抑制器：通過一個(gè)簡單的數(shù)字濾波方案提高系統(tǒng)抗噪性。它對輸入觸發(fā)信號進(jìn)行4 次采樣。只有當(dāng)4 次采樣值相等時(shí)其輸出才會送入邊沿檢測器。（6）輸出比較單元：16位比較器持續(xù)比較TCNT1與OCR1x的內(nèi)容，一旦發(fā)現(xiàn)它們相等，比較器立即產(chǎn)生一個(gè)匹配信號。然后OCF1x 在下一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘置位。如果此時(shí)OCIE1x = 1， OCF1x 置位將引發(fā)輸出比較中斷。中斷執(zhí)行時(shí)OCF1x 標(biāo)志自動清零，或者通過軟件在其相應(yīng)的I/O位置寫入邏輯1” 也可以清零。根據(jù)WGM13:0 與COM1x1:0 的不同設(shè)置，波形發(fā)生器用匹配信號生成不同的波形。波形發(fā)生器利用TOP 和BOTTOM 信號處

12、理在某些模式下對極值的操作。輸出比較單元A 的一個(gè)特質(zhì)是定義T/C 的TOP 值( 即計(jì)數(shù)器的分辨率)。此外， TOP 值還用來定義通過波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形的周期。（7）強(qiáng)制輸出比較：工作于非PWM 模式時(shí)，可以通過對強(qiáng)制輸出比較位FOC1x 寫”1” 的方式來產(chǎn)生比較匹配。強(qiáng)制比較匹配不會置位 OCF1x 標(biāo)志，也不會重載/ 清零定時(shí)器，但是OC1x 引腳將被更新，好象真的發(fā)生了比較匹配一樣(COMx1:0 決定OC1x 是置位、清零，還是交替變化)。（8）寫TCNT1 操作阻止比較匹配：CPU對TCNT1寄存器的寫操作會阻止比較匹配的發(fā)生。這個(gè)特性可以用來將OCR1x初始化為與TCNT1

13、相同的數(shù)值而不觸發(fā)中斷。（9）比較匹配輸出單元：比較匹配模式控制位COM1x1:0 具有雙重功能。波形發(fā)生器利用COM1x1:0 來確定下一次比較匹配發(fā)生時(shí)的輸出比較OC1x 狀態(tài)； COM1x1:0 還控制OC1x 引腳輸出的來源。（10）比較輸出模式和波形產(chǎn)生：波形發(fā)生器利用COM1x1:0 的方法在普通模式、CTC 模式和PWM 模式下有所區(qū)別。對于所有的模式，設(shè)置COM1x1:0 = 0 表明比較匹配發(fā)生時(shí)波形發(fā)生器不會操作OC1x 寄存器。（11）工作模式工作模式：- T/C 和輸出比較引腳的行為- 由波形發(fā)生模式(WGM13:0) 及比較輸出模式(COM1x1:0) 的控制位決定。

14、比較輸出模式對計(jì)數(shù)序列沒有影響，而波形產(chǎn)生模式對計(jì)數(shù)序列則有影響。COM1x1:0 控制PWM 輸出是否為反極性。非PWM 模式時(shí)COM1x1:0控制輸出是否應(yīng)該在比較匹配發(fā)生時(shí)置位、清零，或是電平取反。（12）普通模式：為最簡單的工作模式。在此模式下計(jì)數(shù)器不停地累加。計(jì)到最大值后(TOP = 0 xFFFF) 由于數(shù)值溢出計(jì)數(shù)器簡單地返回到最小值0 x0000 重新開始。在TCNT1為零的同一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘里T/C溢出標(biāo)志TOV1置位。此時(shí)TOV1有點(diǎn)象第17位，只是只能置位，不會清零。但由于定時(shí)器中斷服務(wù)程序能夠自動清零TOV1，因此可以通過軟件提高定時(shí)器的分辨率。在普通模式下沒有什么需要特

15、殊考慮的，用戶可以隨時(shí)寫入新的計(jì)數(shù)器數(shù)值。（13）CTC( 比較匹配時(shí)清零定時(shí)器)模式：在CTC 模式里OCR1A 或ICR1 寄存器用于調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器的分辨率。當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值TCNT1 等于OCR1A(WGM13:0 = 4) 或等于ICR1 (WGM13:0 = 12) 時(shí)計(jì)數(shù)器清零。OCR1A 或ICR1 定義了計(jì)數(shù)器的TOP 值，亦即計(jì)數(shù)器的分辨率。這個(gè)模式使得用戶可以很容易地控制比較匹配輸出的頻率，也簡化了外部事件計(jì)數(shù)的操作。（14）快速PWM 模式：可用來產(chǎn)生高頻的PWM 波形。快速PWM模式與其他PWM模式的不同之處是其單邊斜坡工作方式。計(jì)數(shù)器從BOTTOM計(jì)到TOP，然后立即回到B

16、OTTOM 重新開始。對于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳OC1x在TCNT1 與OCR1x 匹配時(shí)置位，在TOP 時(shí)清零；對于反向比較輸出模式，OCR1x 的動作正好相反。由于使用了單邊斜坡模式，快速PWM 模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM 模式高一倍。此高頻操作特性使得快速PWM 模式十分適合于功率調(diào)節(jié)，整流和DAC應(yīng)用。高頻可以減小外部元器件( 電感，電容) 的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本。（15）輸出的PWM 頻率可以通過如下公式計(jì)算得到：變量N 代表分頻因子 (1、 8、 64、256 或1024)。3.定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器1寄存器的說明（1）控制寄存器A TCCR1ABit 7

17、:6 COM1A1:0: 通道A 的比較輸出模式 Bit 5:4 COM1B1:0: 通道B 的比較輸出模式COM1A1:0與COM1B1:0分別控制OC1A 與OC1B狀態(tài)。如果COM1A1:0(COM1B1:0)的一位或兩位被寫入1”，OC1A(OC1B) 輸出功能將取代I/O 端口功能。此時(shí)OC1A(OC1B)相應(yīng)的輸出引腳數(shù)據(jù)方向控制必須置位以使能輸出驅(qū)動器。OC1A(OC1B) 與物理引腳相連時(shí)，COM1x1:0 的功能由WGM13:0 的設(shè)置決定。Bit 3 FOC1A: 通道A 強(qiáng)制輸出比較Bit 2 FOC1B: 通道B 強(qiáng)制輸出比較FOC1A/FOC1B只有當(dāng)WGM13:0指

18、定為非PWM模式時(shí)被激活。為與未來器件兼容，工作在PWM 模式下對TCCR1A 寫入時(shí)，這兩位必須清零。當(dāng)FOC1A/FOC1B 位置1 ，立即強(qiáng)制波形產(chǎn)生單元進(jìn)行比較匹配。COM1x1:0 的設(shè)置改變 OC1A/OC1B 的輸出。注意FOC1A/FOC1B 位作為選通信號。COM1x1:0 位的值決定強(qiáng)制比較的效果。在CTC 模式下使用OCR1A 作為TOP 值， FOC1A/FOC1B 選通即不會產(chǎn)生中斷也不好清除定時(shí)器。FOC1A/FOC1B 位總是讀為0。Bit 1:0 WGM11:0: 波形發(fā)生模式這兩位與位于TCCR1B 寄存器的WGM13:2 相結(jié)合，用于控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)序列計(jì)數(shù)

19、器計(jì)數(shù)的上限值和確定波形發(fā)生器的工作模式( 見Table 47)。T/C 支持的工作模式有：普通模式( 計(jì)數(shù)器)，比較匹配時(shí)清零定時(shí)器(CTC) 模式，及三種脈寬調(diào)制(PWM) 模式?？刂萍拇嫫鱐CCR1B：Bit 7 ICNC1: 入捕捉噪聲抑制器。置位將使能輸入捕捉噪聲抑制功能。此時(shí)外部引腳ICP1 的輸入被濾波。其作用是從ICP1 引腳連續(xù)進(jìn)行4 次采樣。如果4 個(gè)采樣值都相等，那么信號送入邊沿檢測器。因此使能該功能使得輸入捕捉被延遲了4 個(gè)時(shí)鐘周期。 Bit 6 ICES1: 輸入捕捉觸發(fā)沿選擇。該位選擇使用ICP1 上的哪個(gè)邊沿觸發(fā)捕獲事件。ICES 為0” 選擇的是下降沿觸發(fā)輸入捕

20、捉； ICES1 為1” 選擇的是邏輯電平的上升沿觸發(fā)輸入捕捉。按照ICES1 的設(shè)置捕獲到一個(gè)事件后，計(jì)數(shù)器的數(shù)值被復(fù)制到ICR1 寄存器。捕獲事件還會置為ICF1。如果此時(shí)中斷使能，輸入捕捉事件即被觸發(fā)。當(dāng)ICR1 用作TOP 值( 見TCCR1A 與TCCR1B 寄存器中WGM13:0 位的描述) 時(shí)，ICP1與輸入捕捉功能脫開，從而輸入捕捉功能被禁用。Bit 5 保留位。為保證與將來器件的兼容性，寫TCCR1B 時(shí)，該位必須寫入0”。Bit 4:3 WGM13:2: 波形發(fā)生模式。Bit 2:0 CS12:0: T/C 的時(shí)鐘源選擇。TCNT1H 與TCNT1L：TCNT1H與TCNT

21、1L組成了T/C1的數(shù)據(jù)寄存器TCNT1。通過它們可以直接對定時(shí)器/計(jì)數(shù)器單元的16 位計(jì)數(shù)器進(jìn)行讀寫訪問。輸出比較寄存器1A OCR1AH與 OCR1AL輸出比較寄存器1B OCR1BH與OCR1BL 該寄存器中的16 位數(shù)據(jù)與TCNT1 寄存器中的計(jì)數(shù)值進(jìn)行連續(xù)的比較，一旦數(shù)據(jù)匹配，將產(chǎn)生一個(gè)輸出比較中斷，或改變OC1x 的輸出邏輯電平。輸入捕捉寄存器1 ICR1H 與ICR1L： 當(dāng)外部引腳ICP1(或T/C1的模擬比較器)有輸入捕捉觸發(fā)信號產(chǎn)生時(shí)，計(jì)數(shù)器TCNT1中的值寫入ICR1 中。ICR1 的設(shè)定值可作為計(jì)數(shù)器的TOP 值。注意： TCNT1、OCR1A/B與ICR1是AVR C

22、PU 通過8位數(shù)據(jù)總線可以訪問的16位寄存器。讀寫16位寄存器需要兩次操作。寫16 位寄存器時(shí)，應(yīng)先寫入該寄存器的高位字節(jié)；而讀16 位寄存器時(shí)應(yīng)先讀取該寄存器的低位字節(jié)。中斷屏蔽寄存器 TIMSK：Bit 5 TICIE1: T/C1 輸入捕捉中斷使能。當(dāng)該位被設(shè)為1”，且狀態(tài)寄存器中的I 位被設(shè)為1” 時(shí)， T/C1 的輸入捕捉中斷使能。一旦TIFR 的ICF1 置位，CPU 即開始執(zhí)行T/C1 輸入捕捉中斷服務(wù)程序。Bit 4 OCIE1A: 輸出比較 A 匹配中斷使能。當(dāng)該位被設(shè)為1”，且狀態(tài)寄存器中的I 位被設(shè)為1” 時(shí)， T/C1 的輸出比較A 匹配中斷使能。一旦TIFR 上的OCF1A 置位，CPU 即開始執(zhí)行T/C1 輸出比較A 匹配中斷服務(wù)程序。Bit 3 OCIE1B: T/C1 輸出比較 B 匹配中斷使能。當(dāng)該位被設(shè)為1”，且狀態(tài)寄存器中的I 位被設(shè)為1” 時(shí)，使能T/C1 的輸出比較B 匹配中斷使能。一旦TIFR 上的O