基于ATmega162的智能儀器設(shè)計(jì)

ATmega 162是ATMEL公司推出的一款基于AVRRISC的低功耗CMOS的8位單片機(jī)。ATmega 162通過(guò)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，可以達(dá)到接近1 MIPS/MHz的性能，從而使得設(shè)汁人員可以在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡。AVR核將32個(gè)通用工作寄存器和豐富的指令集連接在一起。所有的工作寄存器都與ALU算術(shù)邏輯單元直接相連，允許在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令，同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使AVR得到了比普通CISC單片機(jī)高將近10倍的性能。本文采用ATmega 162開發(fā)了鍵盤一液晶顯示器、無(wú)位置傳感器兩相直流無(wú)刷電機(jī)和異步串行通訊口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送3個(gè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，采用ATmega 162開發(fā)的這些系統(tǒng)性能可靠、成本較低、軟件設(shè)計(jì)靈活、硬件接口功能豐富，為今后系統(tǒng)升級(jí)創(chuàng)造了良好條件。

2 ATmega162的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

ATmega162具有35個(gè)可編程的I/O口線，有40腳PDIP，44腳TQFP及44腳MLF等多種封裝。4個(gè)8位雙向I/O口A，B，C，D，一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的3位雙向I/O口。每個(gè)端口都有對(duì)應(yīng)的3個(gè)I/O端口寄存器，分別是數(shù)據(jù)寄存器PORTx、方向寄存器器DDRx和輸入引腳寄存器PINx.當(dāng)DDxn寫入0時(shí)，對(duì)應(yīng)的Pxn配置為輸入引腳，置PORTxn為1時(shí)，配置該引腳的內(nèi)部上拉電阻有效。當(dāng)DDxn為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的Pxn配置為輸出引腳，PORTxn中的數(shù)據(jù)為外部引腳的輸出電平，即為1，端口引腳被強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)為高，輸出高電平（輸出電流）；清零PORTxn，端口引腳被強(qiáng)制拉低，輸出低電平（吸入電流）。在復(fù)位過(guò)程中，即使是在系統(tǒng)時(shí)鐘還未啟振的情況下，端口為三態(tài)口。還可以作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，提供ATmega162的許多特殊接口功能。C口提供JTAG接口的功能。在允許JTAG接口狀態(tài)下，引腳PC7（TDD，PC5（TMS）和PC4（TCK）的內(nèi)部上拉電阻總是處于有效方式（包括復(fù)位時(shí)）。

ATmega162具有以下特點(diǎn)：16 kB的同時(shí)具有讀寫能力的在線編程FLASH；512 B E2PROM；1 kB SRAM存儲(chǔ)器；35個(gè)通用I/O口；1個(gè)外部存儲(chǔ)器接口；32個(gè)通用工作寄存器；1個(gè)具有邊界掃描功能的JTAG接口；支持在線編譯、編程以及仿真調(diào)試；支持對(duì)FLASH，E2PROM、芯片熔絲位和保密鎖定位的編程；4個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2個(gè)具有比較模式的帶預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2個(gè)帶預(yù)分頻器，具有比較和捕獲模式的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器；6個(gè)PWM通道；內(nèi)外中斷源；上電復(fù)位和可編程的電壓檢測(cè)電路；內(nèi)部可校準(zhǔn)的RC振蕩器；2個(gè)可編程的UART接口；具有內(nèi)部時(shí)鐘的可編程的看門狗定時(shí)器；SPI串行接口；BOOT區(qū)具有獨(dú)立的加密位，可通過(guò)片內(nèi)的引導(dǎo)程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程，寫操作時(shí)真正可讀；全靜態(tài)操作；片內(nèi)帶有執(zhí)行時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；以及5種可通過(guò)軟件選擇的節(jié)電模式。

ATmega 162采用了ATMEL的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)，片內(nèi)FLASH可以通過(guò)SPI接口+通編程器，或通過(guò)JTAG接口，或使用自引導(dǎo)BOOT程序進(jìn)行編程和自編程。利用自引導(dǎo)BOOT程序，可以使芯片在工作過(guò)程中通過(guò)任一硬件串行通訊接口下載應(yīng)用程序，并寫入到FLASH的應(yīng)用程序區(qū)中（IAP）。在更新FLASH的應(yīng)用程序區(qū)代碼時(shí)，處在FLASH的BOOT區(qū)中的自引導(dǎo)程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)讀寫的功能。由于將增強(qiáng)的RISC8位CPU與在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用編程的FLASH存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega 162成為功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。

2.1 ATmega162與其他同類器件的比較

在控制領(lǐng)域使用最平凡的CPU無(wú)非就3種：51系列、AVR系列、PIC系列。而ATMEL公司新推出的90系列單片機(jī)內(nèi)含高速閃存FLASH，是基于增強(qiáng)精簡(jiǎn)指令RISC（Reduced Instruction Set CPU）結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR單片機(jī)，該系列單片機(jī)在吸收PIC及8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，做出了重大的改進(jìn)。

由于本設(shè)計(jì)中的主CPU需要對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算及轉(zhuǎn)換，因此一般的51系列CPU是很難勝任的，而且在圖形顯示中加入了星星閃動(dòng)的動(dòng)畫和LOADING的讀取數(shù)據(jù)的動(dòng)畫，所以更是要求主CPU有極快的運(yùn)算速度和程序的可復(fù)制性的優(yōu)點(diǎn)。故經(jīng)過(guò)多種方案的比較后，最后決定選用AVR系列中的ATmega162作為主CPU，同時(shí)ATmega162擁有2個(gè)串行通信口，完全可以滿足與計(jì)算機(jī)的通信。

2.2溫度檢測(cè)器件的比較

做溫度的檢測(cè)可以有很多種方法，比較常用的就是用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器再接一個(gè)溫度傳感器，而我們慣用的A/D傳感器是0809（8路A/D轉(zhuǎn)換器），傳感器就可以根據(jù)自己的實(shí)際情況來(lái)選擇了，一般選擇的原則是要滿足測(cè)量溫度的范圍，精度和靈敏度。就本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，需要測(cè)量的溫度范圍是室溫（0～100℃），精度可以是1℃，靈敏度1 s左右就可以了。所以并沒(méi)選用0809來(lái)做，而是在市面上選擇了一個(gè)常用來(lái)做環(huán)境溫度檢測(cè)用的集成芯片——DS18B20，封裝是TOP92的，使用單總線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。從成本的角度來(lái)看18B20一片是15元左右，比AD0809的價(jià)格便宜近一半，而且還可以省去購(gòu)買傳感器的錢，當(dāng)然是在可以滿足測(cè)量要求的前提下。

3 ATmega162的設(shè)計(jì)應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)使用AVR單片機(jī)中的ATmega162作為主控制CPU，使用89C2051作為輔助CPU來(lái)采集數(shù)字溫度傳感器DS18B20傳送出來(lái)的溫度值，并通過(guò)8位端口的連接，傳送溫度值給ATmega162，從而實(shí)現(xiàn)多路溫度值的采集。再通過(guò)ATmega162運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)多路溫度的數(shù)字顯示，同時(shí)還可以顯示其相應(yīng)的溫度柱狀圖。

ATmega162可以在線仿真和在線固化，當(dāng)需要在線仿真時(shí)應(yīng)把仿真器的TCK，TDO，TMS，TDI腳分別上拉4.7 kΩ的電阻后和ATmega162對(duì)應(yīng)的引腳連接起來(lái)。再把仿真器的NSRST與ATmega162的RST連接，仿真器的VTRES和ATmega162的VCC連接，并把仿真器和ATmega162共地。當(dāng)程序在線仿真時(shí)，其程序已經(jīng)自動(dòng)固化到CPU中了，這樣就避免了像89C51那樣出現(xiàn)固化失敗的問(wèn)題，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.1 ATmega162與鍵盤及液晶顯示器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中ATmega162采用的是3.686 4 MHz外接晶振。復(fù)位方式選用的是上電復(fù)位，AVR有3種復(fù)位方式（上電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位），因?yàn)榭紤]到工作電壓不穩(wěn)定的因素，采用上電復(fù)位其復(fù)位電路可以確保只有當(dāng)VCC達(dá)到一個(gè)安全電平時(shí)，器件才能開始工作。

鍵盤是各種CPU不可缺少的輸入工具，通過(guò)他可以輸入程序和數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。鍵盤的按鍵排成3×4的矩陣形式，I/O口線PC1～PC3為輸入（設(shè)置為0），作為鍵盤的列掃描線；PC4～PC7為輸出（設(shè)置為1），作為鍵盤的行掃描線，并上拉電阻。當(dāng)判別有鍵按下時(shí)，延時(shí)去除鍵的機(jī)械抖動(dòng)，再次判別閉合鍵的位置，若確實(shí)有鍵按下，計(jì)算鍵值并返回。

ATmega162的PA口的8位和液晶屏的數(shù)據(jù)端相連，把ATmega162的DDRA設(shè)置為0xFF，這樣PA口只能為輸出。而PB口是對(duì)液晶屏的控制，其PB0與RS相連，PB1與RW相連，PB2與復(fù)位端RST相連，PB3與使能端E相連作使能控制，PB4，PB5分別與液晶屏幕的片選CSB，CSA相連。PD口與89C2051的P1口相連，作為溫度數(shù)據(jù)的輸入口，其DDRD也為0x00，同時(shí)PD1和PD2作為串行通信口分別與MAX232的TIN1和TIN2相連接。PE0和PE1口作為控制溫度傳感器檢測(cè)信號(hào)的輸出，PE2作為溫度檢測(cè)完成信號(hào)的檢測(cè)，因此DDRE為0x07.

本設(shè)計(jì)中ATmega 162的PA口作為數(shù)據(jù)端與液晶屏的DB0到DB7相連，PB0與RS相連作為寫狀態(tài)，PB1與RW相連控制讀狀態(tài)，PB2與RST相連作為液晶屏復(fù)位控制，PB3與E相連是用來(lái)控制液晶屏的使能端，當(dāng)數(shù)據(jù)及指令都正確寫入液晶屏，ATmega 162置PB3為高電平時(shí)液晶屏開始執(zhí)行寫入的程序并調(diào)用新寫入的數(shù)據(jù)，PB4、PB5和PB6分別與液晶屏的CSA、CSB和CSC相連，他們分別作為中間、左邊和右邊顯示屏的片選，都是低電平有效。當(dāng)需要在中間屏幕寫，如顯示數(shù)據(jù)時(shí)，ATmega 162先把PB4置為低電平，再置RS為高電平，接著是拉低RW的電壓，然后把數(shù)據(jù)放在PA口上好讓液晶屏能接收到，最后打開使能端E，這樣一次數(shù)據(jù)傳輸就完成了。進(jìn)行32次循環(huán)輸入，就可以把一個(gè)16×16漢字輸入到液晶屏里了。

值得注意的是，在使用仿真器時(shí)必須先把接AT-mega162的電路板加電后才能給仿真器上電，然后才使用AVR Studio進(jìn)行在線仿真，否則是無(wú)法正確連接的。

在選擇系統(tǒng)時(shí)鐘源時(shí)，要正確配置熔絲位，熔絲位決定著系統(tǒng)采用時(shí)鐘源的方式，不能通過(guò)普通的編程在MCU運(yùn)行時(shí)更改，在調(diào)試之前應(yīng)根據(jù)所選時(shí)鐘源形式和喚醒方式，在仿真系統(tǒng)中正確配置熔絲位，使時(shí)鐘源與熔絲位匹配。

3.2 DS18B20溫度傳感器設(shè)計(jì)

DS18B20作溫度檢測(cè)時(shí)使用的是單總線方式來(lái)傳送指令和數(shù)據(jù)，這就要求傳送時(shí)要有絕對(duì)精確的頻率，對(duì)于18B20來(lái)說(shuō)指令的精確度要達(dá)到微秒級(jí)，而如果AT-mega 162使用C語(yǔ)言來(lái)編寫，程序是達(dá)不到這么精確的，因此本設(shè)計(jì)加入了89C2051，使用匯編語(yǔ)言來(lái)專門編寫18B20的控制程序。兩個(gè)CPU的通信是直接連接的，因?yàn)锳T-mega 162可以設(shè)置端口的工作方向（由DDR值決定）。

89C2051的P1口和ATmega162的PD口連接，用作數(shù)據(jù)交換，89C2051的P3.0和P3.4與ATmega162的PE0和PE1分別相連作為ATmega162對(duì)89C2051進(jìn)行溫度采集的控制。89C2051的P3.7與ATmega162的PE2連接作為89C2051對(duì)ATmega162發(fā)出讀數(shù)據(jù)指令端。在本設(shè)計(jì)中，可以接多個(gè)溫度傳感器，現(xiàn)只連接了兩個(gè)，其數(shù)據(jù)端口分別連接到89C2051的P3.1和P3.5.