基于ATmega162的智能儀器設計

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。ATmega 162通過在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)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(zhí)行速度之間取得平衡。AVR核將32個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，允許在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令，同時訪問兩個獨立的寄存器。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、無位置傳感器兩相直流無刷電機和異步串行通訊口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送3個系統(tǒng)。實驗證明，采用ATmega 162開發(fā)的這些系統(tǒng)性能可靠、成本較低、軟件設計靈活、硬件接口功能豐富，為今后系統(tǒng)升級創(chuàng)造了良好條件。

2 ATmega162的結(jié)構(gòu)及特點

ATmega162具有35個可編程的I/O口線，有40腳PDIP，44腳TQFP及44腳MLF等多種封裝。4個8位雙向I/O口A，B，C，D，一個帶內(nèi)部上拉電阻的3位雙向I/O口。每個端口都有對應的3個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DDxn寫入0時，對應的Pxn配置為輸入引腳，置PORTxn為1時，配置該引腳的內(nèi)部上拉電阻有效。當DDxn為1時，對應的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，端口引腳被強制驅(qū)動為高，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）。在復位過程中，即使是在系統(tǒng)時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（包括復位時）。

ATmega162具有以下特點：16 kB的同時具有讀寫能力的在線編程FLASH；512 B E2PROM；1 kB SRAM存儲器；35個通用I/O口；1個外部存儲器接口；32個通用工作寄存器；1個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FLASH，E2PROM、芯片熔絲位和保密鎖定位的編程；4個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器，2個具有比較模式的帶預分頻器的8位定時器/計數(shù)器，2個帶預分頻器，具有比較和捕獲模式的16位定時器/計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器；6個PWM通道；內(nèi)外中斷源；上電復位和可編程的電壓檢測電路；內(nèi)部可校準的RC振蕩器；2個可編程的UART接口；具有內(nèi)部時鐘的可編程的看門狗定時器；SPI串行接口；BOOT區(qū)具有獨立的加密位，可通過片內(nèi)的引導程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程，寫操作時真正可讀；全靜態(tài)操作；片內(nèi)帶有執(zhí)行時間為2個時鐘周期的硬件乘法器；以及5種可通過軟件選擇的節(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SPI接口+通編程器，或通過JTAG接口，或使用自引導BOOT程序進行編程和自編程。利用自引導BOOT程序，可以使芯片在工作過程中通過任一硬件串行通訊接口下載應用程序，并寫入到FLASH的應用程序區(qū)中（IAP）。在更新FLASH的應用程序區(qū)代碼時，處在FLASH的BOOT區(qū)中的自引導程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行，實現(xiàn)了同時讀寫的功能。由于將增強的RISC8位CPU與在系統(tǒng)編程和在應用編程的FLASH存儲器集成在一個芯片內(nèi)，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與其他同類器件的比較

在控制領域使用最平凡的CPU無非就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(nèi)含高速閃存FLASH，是基于增強精簡指令RISC（Reduced Instruction Set CPU）結(jié)構(gòu)的單片機，簡稱AVR單片機，該系列單片機在吸收PIC及8051單片機的優(yōu)點的基礎上，做出了重大的改進。

由于本設計中的主CPU需要對溫度數(shù)據(jù)進行運算及轉(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的動畫和LOADING的讀取數(shù)據(jù)的動畫，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。故經(jīng)過多種方案的比較后，最后決定選用AVR系列中的ATmega162作為主CPU，同時ATmega162擁有2個串行通信口，完全可以滿足與計算機的通信。

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A/D轉(zhuǎn)換器再接一個溫度傳感器，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)自己的實際情況來選擇了，一般選擇的原則是要滿足測量溫度的范圍，精度和靈敏度。就本設計來說，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。所以并沒選用0809來做，而是在市面上選擇了一個常用來做環(huán)境溫度檢測用的集成芯片——DS18B20，封裝是TOP92的，使用單總線來傳輸數(shù)據(jù)。從成本的角度來看18B20一片是15元左右，比AD0809的價格便宜近一半，而且還可以省去購買傳感器的錢，當然是在可以滿足測量要求的前提下。

3 ATmega162的設計應用

根據(jù)設計任務要求，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來采集數(shù)字溫度傳感器DS18B20傳送出來的溫度值，并通過8位端口的連接，傳送溫度值給ATmega162，從而實現(xiàn)多路溫度值的采集。再通過ATmega162運算處理，實現(xiàn)多路溫度的數(shù)字顯示，同時還可以顯示其相應的溫度柱狀圖。

ATmega162可以在線仿真和在線固化，當需要在線仿真時應把仿真器的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。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。當程序在線仿真時，其程序已經(jīng)自動固化到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、看門狗復位），因為考慮到工作電壓不穩(wěn)定的因素，采用上電復位其復位電路可以確保只有當VCC達到一個安全電平時，器件才能開始工作。

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

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(shù)據(jù)的輸入口，其DDRD也為0x00，同時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(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相連作為液晶屏復位控制，PB3與E相連是用來控制液晶屏的使能端，當數(shù)據(jù)及指令都正確寫入液晶屏，ATmega 162置PB3為高電平時液晶屏開始執(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。當需要在中間屏幕寫，如顯示數(shù)據(jù)時，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。進行32次循環(huán)輸入，就可以把一個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進行在線仿真，否則是無法正確連接的。

在選擇系統(tǒng)時鐘源時，要正確配置熔絲位，熔絲位決定著系統(tǒng)采用時鐘源的方式，不能通過普通的編程在MCU運行時更改，在調(diào)試之前應根據(jù)所選時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作溫度檢測時使用的是單總線方式來傳送指令和數(shù)據(jù)，這就要求傳送時要有絕對精確的頻率，對于18B20來說指令的精確度要達到微秒級，而如果AT-mega 162使用C語言來編寫，程序是達不到這么精確的，因此本設計加入了89C2051，使用匯編語言來專門編寫18B20的控制程序。兩個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(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89C2051進行溫度采集的控制。89C2051的P3.7與ATmega162的PE2連接作為89C2051對ATmega162發(fā)出讀數(shù)據(jù)指令端。在本設計中，可以接多個溫度傳感器，現(xiàn)只連接了兩個，其數(shù)據(jù)端口分別連接到89C2051的P3.1和P3.5.