一款基于A(yíng)Tmega162的智能儀器設計

　　1 引 言

　　ATmega 162是ATMEL公司推出的一款基于A(yíng)VRRISC的低功耗CMOS的8位單片機。ATmega 162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，從而使得設汁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)鐘周期內執行的單條指令，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ATmega 162開(kāi)發(fā)了鍵盤(pán)一液晶顯示器、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)現數據的采集和發(fā)送3個(gè)系統。實(shí)驗證明，采用ATmega 162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 ATmega162的結構及特點(diǎn)

　　ATmega162具有35個(gè)可編程的I/O口線(xiàn)，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)帶內部上拉電阻的3位雙向I/O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，PORTxn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，即使是在系統時(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)的內部上拉電阻總是處于有效方式(包括復位時(shí))。

　　ATmega162具有以下特點(diǎn)：16 kB的同時(shí)具有讀寫(xiě)能力的在線(xiàn)編程FLASH;512 B E2PROM;1 kB SRAM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，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)鐘的可編程的看門(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;以及5種可通過(guò)軟件選擇的節電模式。

　　ATmega 162采用了ATMEL的高密度非易失性?xún)却婕夹g(shù)生產(chǎn)，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RISC8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，ATmega 162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。

　　2.1 ATmega162與其他同類(lèi)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系列單片機內含高速閃存FLASH，是基于增強精簡(jiǎn)指令RISC(Reduced Instruction Set CPU)結構的單片機，簡(jiǎn)稱(chēng)AVR單片機，該系列單片機在吸收PIC及8051單片機的優(yōu)點(diǎn)的基礎上，做出了重大的改進(jìn)。

　　由于本設計中的主CPU需要對溫度數據進(jìn)行運算及轉換，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(huà)和 LOADING的讀取數據的動(dòng)畫(huà)，所以更是要求主CPU有極快的運算速度和程序的可復制性的優(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(mǎn)足與計算機的通信。

　　2.2 溫度檢測器件的比較

　　做溫度的檢測可以有很多種方法，比較常用的就是用一個(gè)A/D轉換器再接一個(gè)溫度傳感器，而我們慣用的A/D傳感器是0809(8路A/D轉換器)，傳感器就可以根據自己的實(shí)際情況來(lái)選擇了，一般選擇的原則是要滿(mǎn)足測量溫度的范圍，精度和靈敏度。就本設計來(lái)說(shuō)，需要測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)境溫度檢測用的集成芯片——DS18B20，封裝是TOP92的，使用單總線(xiàn)來(lái)傳輸數據。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，而且還可以省去購買(mǎi)傳感器的錢(qián)，當然是在可以滿(mǎn)足測量要求的前提下。

　　3 ATmega162的設計應用

　　根據設計任務(wù)要求，本設計使用AVR單片機中的ATmega162作為主控制CPU，使用89C2051作為輔助CPU來(lái)采集數字溫度傳感器 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)現多路溫度值的采集。再通過(guò)ATmega162運算處理，實(shí)現多路溫度的數字顯示，同時(shí)還可以顯示其相應的溫度柱狀圖。

　　ATmega162可以在線(xiàn)仿真和在線(xiàn)固化，當需要在線(xiàn)仿真時(shí)應把仿真器的TCK，TDO，TMS，TDI腳分別上拉4.7 kΩ的電阻后和ATmega162對應的引腳連接起來(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。當程序在線(xiàn)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那樣出現固化失敗的問(wèn)題，系統框圖如圖1所示。

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　　3.1 ATmega162與鍵盤(pán)及液晶顯示器的設計

　　本設計中ATmega162采用的是3.686 4 MHz外接晶振。復位方式選用的是上電復位，AVR有3種復位方式(上電復位、外部復位、看門(mén)狗復位)，因為考慮到工作電壓不穩定的因素，采用上電復位其復位電路可以確保只有當VCC達到一個(gè)安全電平時(shí)，器件才能開(kāi)始工作。

　　鍵盤(pán)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據，從而實(shí)現人機對話(huà)。鍵盤(pán)的按鍵排成3×4的矩陣形式，I/O口線(xiàn)PC1～PC3為輸入(設置為0)，作為鍵盤(pán)的列掃描線(xiàn);PC4～PC7為輸出(設置為1)，作為鍵盤(pán)的行掃描線(xiàn)，并上拉電阻。當判別有鍵按下時(shí)，延時(shí)去除鍵的機械抖動(dòng)，再次判別閉合鍵的位置，若確實(shí)有鍵按下，計算鍵值并返回。

　　ATmega162的PA口的8位和液晶屏的數據端相連，把ATmega162的DDRA設置為0xFF，這樣PA口只能為輸出。而PB口是對液晶屏的控制，其PB0與RS相連，PB1與RW相連，PB2與復位端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，作為溫度數據的輸入口，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信號的輸出，PE2作為溫度檢測完成信號的檢測，因此DDRE為 0x07。

　　本設計中ATmega 162的PA口作為數據端與液晶屏的DB0到DB7相連，PB0與RS相連作為寫(xiě)狀態(tài)，PB1與RW相連控制讀狀態(tài)，PB2與RST相連作為液晶屏復位控制，PB3與E相連是用來(lái)控制液晶屏的使能端，當數據及指令都正確寫(xiě)入液晶屏，ATmega 162置PB3為高電平時(shí)液晶屏開(kāi)始執行寫(xiě)入的程序并調用新寫(xiě)入的數據，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。當需要在中間屏幕寫(xiě)，如顯示數據時(shí)，ATmega 162先把PB4置為低電平，再置RS為高電平，接著(zhù)是拉低RW的電壓，然后把數據放在PA口上好讓液晶屏能接收到，最后打開(kāi)使能端E，這樣一次數據傳輸就完成了。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(xiàn)仿真，否則是無(wú)法正確連接的。

　　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。

　　3.2 DS18B20溫度傳感器設計

　　DS18B20作溫度檢測時(shí)使用的是單總線(xiàn)方式來(lái)傳送指令和數據，這就要求傳送時(shí)要有絕對精確的頻率，對于18B20來(lái)說(shuō)指令的精確度要達到微秒級，而如果AT-mega 162使用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，程序是達不到這么精確的，因此本設計加入了89C2051，使用匯編語(yǔ)言來(lái)專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)18B20的控制程序。兩個(gè)CPU的通信是直接連接的，因為AT-mega 162可以設置端口的工作方向(由DDR值決定)。

　　89C2051的P1口和ATmega162的PD口連接，用作數據交換，89C2051的P3.0和P3.4與ATmega162的PE0和 PE1分別相連作為ATmega162對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ATmega162發(fā)出讀數據指令端。在本設計中，可以接多個(gè)溫度傳感器，現只連接了兩個(gè)，其數據端口分別連接到89C2051的 P3.1和P3.5。

　　4 結 語(yǔ)

　　本文通過(guò)基于A(yíng)Tmega162介紹了他的特點(diǎn)和在溫度檢測中的應用實(shí)例，ATmega162具有其他AVR系列大部分產(chǎn)品的功能，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、低功耗、高性?xún)r(jià)比、硬件結構簡(jiǎn)單、軟件設計靈活、適用面廣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，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。