摘要：主要利用AVR單片機中的TWI模塊，構建了一個基于TWI總線的模塊化檢測系統(tǒng)。通過利用TWI總線相對于I2C總線的強大靈活性，增加了容錯處理程序，提高了總線的穩(wěn)定性和可靠性，使得整個檢測系統(tǒng)的抗干擾性更強。在從機TWI程序設計上使用TWI中斷，消除了等待TWINT置住所浪費的時間，提高了程序的執(zhí)行效率。
引言
隨著設備信息化和智能化程度的不斷提高，設備間的通信變得愈加重要。目前，設備間的通信，尤其是多個設備間的通信，大多數(shù)都是依靠各種不同標準的總線實現(xiàn)的。通過總線實現(xiàn)設備間的通信減少了物理連線，簡化了硬件設計工作，同時也便于擴展。因此，總線，尤其是各種工業(yè)總線，得到了廣泛的應用。在智能化嵌入式系統(tǒng)設計中，有時由于各種外圍設備較多，也會應用總線解決通信的問題。當今最為常見的是由Philips公司開發(fā)的I2C總線，它用于連接微控制器及其外圍設備，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。而Atmel公司的TWI接口是I2C總線基礎上的繼承和發(fā)展，它定義了自己的功能模塊和寄存器，其寄存器各位功能的定義與I2C總線并不相同。另外TWI總線引入了狀態(tài)寄存器，使得TWI總線在操作和使用上比I2C總線更加靈活。本文主要利用TWI總線強大的靈活性，設計了基于該總線的模塊化檢測系統(tǒng)，巧妙利用TWI狀態(tài)寄存器，大大提高了TWI總線在該檢測系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和可靠性。
1 TWI模塊簡介
TWI通信接口簡單靈活，功能強大，非常適合應用于微控制器系統(tǒng)。它支持主機和從機操作；器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式；7位地址空間允許有128個從機；支持多主機仲裁；高達400 kHz的數(shù)據(jù)傳輸率；輸出驅(qū)動器斜率受控；噪聲抑制器可以抑制總線尖峰；從機地址以及公共地址完全可編程；睡眠時地址匹配可以喚醒AVR。
如圖1所示，TWI模塊包括控制單元、比特率發(fā)生器單元、地址匹配單元、總線接口單元和SCL和SDA引腳，位于粗線之中的寄存器都可以通過AVR數(shù)據(jù)總線進行訪問。其中TWAR寄存器的高7位為從機地址。工作于從機模式時，TWI總線將根據(jù)這個地址進行響應。
TWI的兩根線在工作時必須有上拉電阻，上拉電阻的實現(xiàn)既可以通過內(nèi)部的上拉電阻使能，也可以通過在硬件設計時增加上拉電阻。在實際應用時最好在外部硬件上增加上拉電阻，以防止程序遺漏使能上拉電阻。
TWI可以工作于4種不同的模式，即主機發(fā)送模式(MT)、主機接收模式(MR)、從機發(fā)送模式(ST)和從機接收器模式(SR)。當TWI上出現(xiàn)多個主機時，就會發(fā)生多主機仲裁。TWI多主機仲裁相對I2C總線的多主機仲裁，其特點就是除了依靠自身硬件的監(jiān)測之外，還可以通過軟件讀取TWSR狀態(tài)寄存器來判斷自己在總線中的精確狀態(tài)，以便為下一步動作提供更精確的診斷依據(jù)。在編寫TWI總線驅(qū)動程序時，需要注意，只有當時鐘信號為高電平時，信號線SDA上的電平信息才有意義。
2 模塊化檢測系統(tǒng)設計
模塊化檢測系統(tǒng)主要功能是檢測各設備所采集到的相關信息，以便主機通過處理這些信息，給出相應的控制策略。如圖2所示，主機使用的是ATmega128，從機使用的是ATmegal6。這種模塊化檢測系統(tǒng)的設計不僅簡化了硬件設計，也在一定程度上簡化了軟件的設計，使得各個檢測功能的程序在不同的設備上同時運行。
3 TWI總線驅(qū)動程序
3．1 主機驅(qū)動程序
在程序設計時，為了實現(xiàn)準確判斷TWI工作狀態(tài)，需要在一定情況下，尤其是在總線出現(xiàn)傳輸錯誤時，讀取TWSR狀態(tài)寄存器。同時為了增加程序的可讀性，將各種模式所需的TWI總線狀態(tài)進行宏定義。
圖3是主機發(fā)送(MT)模式程序的流程。圖4為主機接收(MR)模式程序流程。
為了保證TWI總線的穩(wěn)定運行，只有發(fā)送模式(MT)和接收模式(MR)程序是不夠的，還必須有一定的容錯處理程序，以防止TWI總線在受到外界干擾時出現(xiàn)故障?？紤]本文所設計的系統(tǒng)是主機與從機不會實時發(fā)生變化的總線網(wǎng)絡系統(tǒng)，所以對于主機而言還要有容錯處理程序，主要是MT、MR以及MT和MR之間切換時的容錯處理程序。其具體代碼如下：
容錯處理主要是通過讀取當前TWI總線的狀態(tài)，針對不同的狀態(tài)做出不同的處理。這個程序中對TWI總線處于錯誤狀態(tài)時的處理最為重要，可以防止TWI總線進入死鎖。容錯處理程序同時也包含了MT和MR模式，在使用TWI總線時主機只需要調(diào)用該程序就可實現(xiàn)MT或MR模式。
3．2 從機驅(qū)動程序
由于對于主機而言，等待TWINT置位在任何情況下都能在很短的時間內(nèi)完成，所以對于MT和MR模式的程序都是通過軟件查詢TWINT位實現(xiàn)。但是對于從機而言，由于首先要接收主機發(fā)送的從機地址，并且主機并不是總是在訪問同一個從機，所以從機在接收主機發(fā)送的地址時，如使用軟件查詢方法，勢必要等待很長時間，這樣就浪費了大量的時間。因此在從機ST和SR模式程序的設計時，需要使用TWI中斷，這樣在等待TWINT置位期間可以執(zhí)行其他程序，有效地提高了程序的運行效率。圖5為從機ST和SR模式程序流程，具體的ST和SR處理程序可以參考相關的設計手冊，這里給出的只是ST和SR切換以及容錯處理程序。當TWINT置位時，進入TWI中斷服務程序。
在從機TWI總線程序設計時，在等待TWINT置位期間TWI總線可能因為外界干擾出現(xiàn)一些故障，所以容錯處理程序不僅在TWI中斷服務程序得到調(diào)用，在等待TWINT置位期間也要調(diào)用該程序。從機的容錯處理程序代碼如下：
4 系統(tǒng)測試
在模塊化檢測系統(tǒng)測試時，主要使用了以下從機檢測模塊：3個超聲波模塊、電子羅盤、紅外距離檢測模塊以及溫度檢測模塊。在系統(tǒng)測試時針對TWI總線，主要測試了總線的傳輸速度、實時響應、出錯率、抗干擾能力。測試時為便于觀察各個觀測量的狀態(tài)，使用了LCD顯示。測試過程中總線的比特率設定為100 kbps，通過觀測LCD顯示的變量，TWI總線實時響應速度比較快。在外加電磁干擾的條件下，總線只有在極少數(shù)開機時出現(xiàn)錯誤，主要原因是開機時出現(xiàn)的浪涌電流。
結語
本文設計的模塊化檢測系統(tǒng)，利用TWI總線作為各個器件通信的媒介，并以此為基礎構建總線式拓撲網(wǎng)絡，簡化了硬件和軟件設計，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。在TWI總線驅(qū)動程序設計上，增加容錯處理程序，使總線運行更加穩(wěn)定和可靠，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。同時在從機TWI總線驅(qū)動程序設計時使用TWI中斷，合理安排各個功能程序的執(zhí)行時間，有效地提高了程序的運行效率。