ATmegal62的特點(diǎn)及其在多種系統中的應用

1 引言
ATmegal62是ATMEL公司推出的一款基于A(yíng)VR RISC的低功耗CMOS的8位單片機。AT-megal62通過(guò)在一個(gè)時(shí)鐘周期內執行一條指令，可以達到接近1 MIPS/MHz的性能，從而使設計人員可以在功耗和執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)鐘周期內執行單條指令，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨立的寄存器。這種結構提高了代碼效率，使AVR得到了比普通CISC單片機高將近10倍的性能。本文采用ATmegal62開(kāi)發(fā)了鍵盤(pán)-液晶顯示器、無(wú)位置傳感器兩相直流無(wú)刷電機和異步串行通訊口實(shí)現的數據采集發(fā)送三個(gè)系統。實(shí)驗證明，采用ATmegal62開(kāi)發(fā)的這些系統性能可靠，成本較低，軟件設計靈活，硬件接口功能豐富，為今后系統升級創(chuàng )造了良好條件。

2 ATmegal62的結構及特點(diǎn)
ATmegal62具有35個(gè)可編程的I/O口線(xiàn)，有40引腳PDIP、44引腳TQFP及44引腳MLF等多種封裝。4個(gè)8位雙向I/O 口 A、B、C、D，一個(gè)帶內部上拉電阻的3位雙向I/O E口。
每個(gè)端口都有對應的3個(gè)I/O端口寄存器，分別是數據寄存器PORTx、方向寄存器器DDRx和輸入引腳寄存器PINx。當DDxn寫(xiě)入0時(shí)，對應的Pxn配置為輸入引腳，置PORTxn為1時(shí)，配置該引腳的內部上拉電阻有效。當DDxn為1時(shí)，對應的Pxn配置為輸出引腳，POPTxn中的數據為外部引腳的輸出電平，即為1，端口引腳被強制驅動(dòng)為高，輸出高電平(輸出電流)；清零PORTxn，端口引腳被強制拉低，輸出低電平(吸入電流)。在復位過(guò)程中，即使在系統時(shí)鐘還未啟振的情況下，端口為三態(tài)口。還可以作為地址/數據復用口，提供ATmegal62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(TDI)、PC5(TMS)和PC4(TCK)的內部上拉電阻總是處于有效方式(包括復位時(shí))。
ATmegal62具有以下特點(diǎn)：16 KB且同時(shí)具有讀寫(xiě)能力的可在線(xiàn)編程Flash；512B EEPROM；1 KBSRAM存儲器；35個(gè)通用I/O口；1個(gè)外部存儲器接口；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(xiàn)編譯、編程以及仿真調試；支持對Flash、EEPROM、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/計數器，2個(gè)具有比較模式的帶預分頻器的8位定時(shí)器/計數器，2個(gè)帶預分頻器，具有比較、捕捉和捕獲模式的16位定時(shí)器/計數器，具有獨立振蕩器的實(shí)時(shí)計數器；6個(gè)PWM通道；內外中斷源；上電復位和可編程的電壓檢測電路；內部可校準的RC振蕩器；2個(gè)可編程的UART接口；具有內部時(shí)鐘的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；SPI串行接口；BOOT區具有獨立的加密位，可通過(guò)片內的引導程序實(shí)現在系統編程，寫(xiě)操作時(shí)真正可讀；全靜態(tài)操作；片內帶有執行時(shí)間為2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；5種可通過(guò)軟件選擇的節電模式。
ATmegal62采用了ATMEL公司的高密度非易失性?xún)却婕夹g(shù)，片內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BOOT程序進(jìn)行編程和自編程。利用自引導BOOT程序，可以使器件在工作過(guò)程中通過(guò)任一硬件串行通訊接口下載應用程序，并寫(xiě)入到Flash的應用程序區中(IAP)。在更新Flash的應用程序區代碼時(shí)，處在Flash的BOOT區中的自引導程序將繼續執行，實(shí)現了同時(shí)讀寫(xiě)的功能。由于將增強的RISC 8位CPU與在系統編程和在應用編程的Flash存儲器集成在一個(gè)芯片內，ATmegal62成為功能強大的單片機，為多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。

ATmegal62是AVR系列產(chǎn)品中配置比較高的單片機，是一種很復雜的微控制器，它的I/O地址取代了保留在A(yíng)VR指令集中的64個(gè)I/O地址。為確保向后兼容ATmegal61，ATmegal62上所有的I/O的位置與ATmegal61相同。很多附加的I/O地址被加到一個(gè)$60$FF的擴展外部I/O空間中。這些地址只能用LD/LDS/LDD和ST/STS/STD指令訪(fǎng)問(wèn)，而不能用IN和OUT指令。對于A(yíng)Tmegal61來(lái)說(shuō)，存在內部RAM空間的重定位的問(wèn)題。同樣，如果代碼使用絕對地址，那么增加的中斷向量也是問(wèn)題。要解決這些問(wèn)題，可以通過(guò)編程熔絲M161C來(lái)選擇AT-megal61的兼容模式。在這一模式下，ATmegal62和ATmegal61之間則不存在這些差別。
(1)地址空間Ox0060-0x00FF用來(lái)擴展外部I/0，而不是內部SRAM；
(2)地址空間0x0100―0x04FF用作內部SRAM，因而外部存儲器從地址0x500開(kāi)始(ATmegal61的外部存儲器從地址0x460開(kāi)始)；
(3)UART有一個(gè)輸入緩沖，允許在數據溢出標志(DOR)置l前接收多一個(gè)字節的數據；
(4)去除擴展中斷向量。
ATmegal62與ATmegal61的引腳完全兼容，可以替代ATmegal61。但是這兩種器件的地址熔絲位和電特性不同。在A(yíng)Tmegal61的兼容模式下，AT-megal62不具備如下特性：
(1)USART的FIFO操作；
(2)定時(shí)器/計數器3；
(3)訪(fǎng)問(wèn)系統時(shí)鐘預分頻器；
(4)Port A和Port C的引腳中斷；
(5)通過(guò)軟件改變WDT預分頻器設置時(shí)要遵循特定時(shí)序；
(6)M161C熔絲對中斷向量重新映射，使之與ATmegal61相同。

4 ATmegal62的工程應用
4.1 ATmegal62與鍵盤(pán)及液晶顯示器的設計
鍵盤(pán)是各種CPU不可缺少的輸入工具，通過(guò)它可以輸入程序和數據，從而實(shí)現人機對話(huà)。液晶顯示器(LCD)以其功耗低、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應用。DM12864是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它采用動(dòng)態(tài)驅動(dòng)原理由行驅動(dòng)控制器和列驅動(dòng)器兩部分組成了128(列)64(行)的全點(diǎn)陣液晶顯示，可顯示圖形和漢字。它能直接與單片機連接，具有專(zhuān)用指令，可方便地實(shí)現畫(huà)面卷動(dòng)等功能。圖1為采用ATmegal62開(kāi)發(fā)的鍵盤(pán)-液晶顯示應用系統。鍵盤(pán)的接鍵排成3x4的矩陣形式，I/O口線(xiàn)PBl-PB3為輸入(設置為O)，作為鍵盤(pán)的列掃描線(xiàn)；PB4-PB7為輸出(設置為1)，作為鍵盤(pán)的行掃描線(xiàn)，并帶有上拉電阻。當判斷有鍵按下時(shí)，延時(shí)去除鍵抖動(dòng)，再次判斷閉合鍵的位置，若確實(shí)有鍵按下，計算鍵值并返回。液晶顯示器的工作電壓為+5V10％；PC2作為寄存器數據/指令選擇信號D/I，當D/I為1時(shí)，顯示數據，D/I為0時(shí)，指令代碼；PC3作為讀/寫(xiě)操作選擇信號R/W，R/W為l時(shí)，讀數據或指令，R/W為0時(shí)，寫(xiě)數據或指令；PC0、PCI分別作為液晶的左右半屏片選信號CSl、CS2；復位信號RST與PEl連接，高電平復位DMl2864；PE0作為液晶的使能信號EN；PA作為并行數據總線(xiàn)DB，用于二者之間傳送數據。在讀/寫(xiě)顯示數據到LCD之前，要對LCD進(jìn)行忙標志位判別、顯示開(kāi)關(guān)設置、顯示起始行設置、頁(yè)面地址設置和列地址設置。

在A(yíng)Tmegal62開(kāi)發(fā)的鍵盤(pán)-液晶顯示系統中：
(1)由于A(yíng)Tmegal62 C口的PC4-PC7具有JTAG接口功能，因此不能再作為I/O輸出口，除非將熔絲位JTAGEN設置為l才可以作為I/O輸出口用；
(2)在選擇系統時(shí)鐘源時(shí)，要正確配置熔絲位，熔絲位決定著(zhù)系統采用時(shí)鐘源的方式，不能通過(guò)普通的編程在MCU運行時(shí)更改，在調試之前應根據所選時(shí)鐘源形式和喚醒方式，在仿真系統中正確配置熔絲位，使時(shí)鐘源與熔絲位匹配。
(3)在調試過(guò)程中，要求液晶LCD的驅動(dòng)負電壓VDD-Vo=13 V，否則將無(wú)法正常顯示。
4.2 ATmegal62控制的兩相直流無(wú)刷電機
兩相直流無(wú)刷電機是一種結合了直流電機和交流電機優(yōu)點(diǎn)的改進(jìn)型電機，采用無(wú)位置傳感器兩相直流無(wú)刷電動(dòng)機控制技術(shù)，可充分利用直流無(wú)刷電動(dòng)機調速范圍寬、無(wú)位置傳感器和不易損壞的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現電動(dòng)機的無(wú)級變速，噪聲低，運行效率、控制精度和可靠性高。圖2為采用ATmegal62控制兩相直流無(wú)刷電機的應用實(shí)例。圖中ADCl測量電機的給定速度，在大多數裝置中，電機的速度是根據外部給定值調整的，給定值是一個(gè)模擬信號，因此需用ADC通道測量外部速度，PWM輸出要不斷地改變以減小電機的速度和外部給定值的差值。由于用內部的ADC和PWM，不需要霍爾傳感器測量電機的轉速。ATmegal62的ADC(模/數轉換器)通道測量感應電動(dòng)勢，控制電機的換向，流過(guò)無(wú)源定子線(xiàn)圈的感應電動(dòng)勢決定電機的方向。通過(guò)改變PWM寄存器的值來(lái)控制PWM的占空比，從而形成脈寬隨著(zhù)調制波變化而變化的PWM信號。用PWM信號控制功率開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)給電機電樞繞組供電，相電流的大小和傳送到電機電樞繞組的能量由功率開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間決定，同時(shí)，相電流和傳送到電機的能量又決定著(zhù)電機的轉矩和轉速，從而實(shí)現對轉速的閉環(huán)控制。

在A(yíng)Tmegal62控制無(wú)位置傳感器兩相直流無(wú)刷電機時(shí)：
(1)PWM控制電機的速度時(shí),PWM的基頻必須大于20 kHz,驅動(dòng)晶體管的耗散功率要根據PWM的開(kāi)關(guān)頻率決定；
(2)在控制有源線(xiàn)圈的電壓時(shí)，PWM的基頻要接近于20 kHz；
(3)用ADC測量感應電壓時(shí),ADC的時(shí)鐘選擇應確保ATmegal62有足夠的時(shí)間處理中斷。
4.3 異步串行通訊口數據的采集和發(fā)送
ATmegal62帶有兩個(gè)全雙工通用同步/異步串口，是區別于A(yíng)VR系列器件的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)，用戶(hù)可以以低成本更加靈活地進(jìn)行設備間的數據通訊。ATmegal62的USARTn收發(fā)模塊分為三大部分：時(shí)鐘發(fā)生器、數據發(fā)送器和接收器。有三個(gè)完全獨立的中斷：TX發(fā)送完成，TX發(fā)送寄存器空和RX接收完成。最高波特率可達115 200 b/s，而且有專(zhuān)用的高精度波特率發(fā)生器，不占用定時(shí)器/計數器。圖3是用ATmegal62的異步串行通訊口實(shí)現數據的采集和發(fā)送的應用實(shí)例，電機驅動(dòng)器件SMD-401通過(guò)ATmegal62 PC口輸出的控制信號來(lái)控制步進(jìn)電機的轉速和方向,步進(jìn)電機帶動(dòng)智能傳感器旋轉，經(jīng)ATmegal62串口O的發(fā)送端輸出觸發(fā)信號觸發(fā)傳感器采集數據，采集到的數據通過(guò)MAX232送到ATmegal62串口O的接收端,數據在A(yíng)Tmegal62中經(jīng)過(guò)必要的處理后由串口l經(jīng)過(guò)NAX488轉送到上位機。

在A(yíng)Tmegal62實(shí)現異步串行通訊口數據的采集和發(fā)送時(shí)，應注意以下問(wèn)題：
(1)所選器件不同，ICCAVR產(chǎn)生的源代碼不一定匹配，應根據實(shí)際情況檢查初始化程序；
(2)ATmegal62的波特率寄存器UBRROH和USARTO的控制和狀態(tài)寄存器UCSROC共用同一個(gè)單元地址，如果不設定URSSEL0位，接收的波特率就會(huì )出錯；
(3)確保發(fā)送與接收的波特率相同或在容許的誤差范圍內，發(fā)送與接收要有相同的數據格式。

5 結束語(yǔ)
本文介紹了ATmegal62的特點(diǎn)及其在實(shí)際工程中的應用實(shí)例。ATmegal62具有AVR系列其他器件的大部分其他器件功能，又具有獨特技術(shù)，配置全、功能強、可靠性高、速度高、抗干擾性好、功耗低、性?xún)r(jià)比高、硬件結構簡(jiǎn)單、軟件設計靈活、適用面廣、價(jià)格低廉，具有一定的實(shí)用價(jià)值，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中將會(huì )發(fā)揮越來(lái)越大的作用。