【正文】 模塊 （ 2）一般情況下顯示部門、 姓名與工號 （ 3）但接收到上位機（ PC）發(fā)過來的指令后，進入評價窗口，顯示四種評價狀態(tài) （ 4）可以使用不同的按鍵進行評價選擇 （ 5）評價信息要及時的反饋給上位機（ PC） （ 6）上位機程序不作要求 淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計論文 2 第二章 硬件設計 3 第二章 硬件設計 信息交換 模塊 （ ATmega16 內(nèi)部 USART） USART 概述 通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器（ USART）是一個高度靈活的串行通訊設備 ，它的主要功能如下： （ 1） 全雙工操作（獨立的串行接收和發(fā)送寄存器） （ 2） 異步或同步操作 （ 3） 主機或從機提供時鐘的 同步操作 （ 4） 高精度的波特率發(fā)生器 （ 5） 支持 8 或 9 個數(shù)據(jù)位和 1個或 2個停止位 （ 6） 硬件支持的奇偶校驗操作 （ 7） 數(shù)據(jù)過速檢測 （ 8） 幀錯誤檢測 （ 9） 噪聲濾波，包括錯誤的起始位檢測，以及數(shù)字低通濾波器 （ 10） 三個獨立的中斷：發(fā)送結(jié)束中斷 , 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷，以及接收結(jié)束中斷 （ 11） 多處理器通訊模式 （ 12） 倍速異步通訊模式 圖 21 為 USART 的簡化框圖 。 CPU 可以訪問的 I/O 寄存器和 I/O 引腳以粗體表示。 從圖 21可以看出： （ 1） 虛線框?qū)?USART 分為了三個主要部分：時鐘發(fā)生器 ，發(fā)送器和接收器。 （ 2） 控制寄存器由三個單元共享。 （ 3） 時鐘發(fā)生器包含同步邏輯，通過它將波特率發(fā)生器及為從機同步操作所使用的外部輸入時鐘同步起來。 XCK（發(fā)送器時鐘）引腳只用于同步傳輸模式。 （ 4） 發(fā)送器包括一個寫緩沖器，串行移位寄存器，奇偶發(fā)生器以及處理不同的幀格式所需的控制邏輯。寫緩沖器可以保持連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)而不會在數(shù)據(jù)幀之間引入延遲。 （ 5） 接收器具有時鐘和數(shù)據(jù)恢復單元，所以它是 USART 模塊中最復雜的?；謴蛦卧糜诋惒綌?shù)據(jù)的接收。除了恢復單元，接收器還包括奇偶校驗，控淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計論文 4 制邏輯，移位寄存器和一個兩級接 收緩沖器 UDR。接收器支持與發(fā)送器相同的幀格式，而且可以檢測幀錯誤，數(shù)據(jù)過速和奇偶校驗錯誤。 圖 21 USART 簡化框圖 時鐘產(chǎn)生器 時鐘產(chǎn)生邏輯為發(fā)送器和接收器產(chǎn)生基礎時鐘。 USART 支持 4 種模式的時鐘：正常的異步模式、倍速的異步模式、主機同步模式以及從機同步模式 。 （ 1） USART 控制位 UMSEL 和狀態(tài)寄存器 C（ UCSRC）用于選擇異步模式和同步模式。 （ 2） 倍速模式（只適用于異步模式）受控于 UCSRA 寄存器的 U2X。 （ 3） 使用同步模式（ UMSEL=1）時， XCK 的數(shù)據(jù)方向寄存器（ DDR_XCK）決定時鐘源是由內(nèi)部產(chǎn)生（主機模式）還是由外部生產(chǎn)（從機模式）。僅在同步模式下 XCK 有效。 波特率發(fā)生器內(nèi)部時鐘用于異步模式與同步主機模式。 USART 的波特率寄存器 UBRR 和降序計數(shù)器相連接，一起構(gòu)成可編程的預分頻器或波特率發(fā)生器。 降序計數(shù)器對系統(tǒng)時鐘計數(shù)，當其計數(shù)到零或 UBRRL 寄存器被寫時，會自動裝入 UBRR 寄存器的值。當計數(shù)到零時產(chǎn)生一個時鐘，該時鐘作為波特率發(fā)生器的輸出時鐘，輸出時鐘的頻率 oscfUBRR+1 。 第二章 硬件設計 5 發(fā)生器對波特率發(fā)生器的輸出時鐘進行 8 或 16 的分頻，具體情況取決于工作模式。 波特率發(fā)生器的輸出被直接用于接收器與數(shù)據(jù)恢復單元。數(shù)據(jù)恢復單元使用了一個有 8 或 16 個狀態(tài)的狀態(tài)機，具體狀態(tài)數(shù)由 UMSEL、 U2X 與 DDR_XCK位設定的工作模式?jīng)Q定。 表 給出了計算波特率以及計算每一種使用內(nèi)部時鐘源工作模式的 UBRR值的公式。 表 波特率計算公式 使用模式 波特率的計算公式 UBRR 值的計算公式 異步正常模式（ U2X=0） fo s cB A UD=1 6 (UB R R +1 ) fo scU B RR = 11 6 B A U D 異步倍速模式（ U2X=1） foscB A U D =8( U B R R +1) foscU B RR= 18B A U D 同步主機模式 foscB A U D =2( U B R R +1) foscU B RR = 12B A U D 幀格式 串行數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)字加上同步位 (開始位與停止位 )以及用于糾錯的奇偶校驗位構(gòu)成。 USART 接受以下 30 種組合的數(shù)據(jù)幀格式 ： （ 1） 1個起始位 （ 2） 8或 9個數(shù)據(jù)位 （ 3） 無校驗位、奇校驗或偶校驗位 （ 4） 1或 2 個 停止位 數(shù)據(jù)幀以起始位開始；緊接著是數(shù)據(jù)字的最低位，數(shù)據(jù)字最多可以有 9 個數(shù)據(jù)位，以數(shù)據(jù)的最高位結(jié)束；如果使能了校驗位，校驗位將緊接著數(shù)據(jù)位；最后是結(jié)束位。 當一個完整的數(shù)據(jù)幀傳輸后，可以立即傳輸下一個新的數(shù)據(jù)幀，或使傳輸線處于空閑狀態(tài)。圖 22 所示為可能的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)組合。括號中的位是可選的。 圖 22 幀格式 淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計論文 6 St 起始位，總是為低電平 （ n） 數(shù)據(jù)位（ 0～ 8） P 校驗位，可以為奇校驗或偶校驗 Sp 停止位，總是為高電平 IDLE 通訊線上沒有數(shù)據(jù)傳輸（ RxD 或 TxD），線路空閑時必須為高電 平 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)由 UCSRB 和 UCSRC 寄存器中的 UCSZ2： 0、 UPM1： 0、 USBS設定。接收與發(fā)送使用相同的設置。設置的任何改變都可能破壞正在進行的數(shù)據(jù)傳送與接收。 （ 1） USART 的字長位 UCSZ2： 0 確定了數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位數(shù) （ 2） 校驗模式位 UPM1： 0 用于使能與決定校驗的類型 （ 3） USBS 位設置幀有一位或兩位結(jié)束位 USART 初始化 進行通信之前首先要對 USART 進行初始化。初始化過程通常包括波特率的設定，幀結(jié)構(gòu)的設定，以及根據(jù)需要使能接收器或發(fā)送器。對于中斷驅(qū)動的 USART操作， 在初始化時首先要清零全局中斷標志位（全局中斷被屏蔽）。 重新改變 USART 的設置應該在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下進行。 TXC 標志位可以用來檢驗一個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送是否已經(jīng)完成， RXC 標志位可以用來檢驗接收緩沖器中是否還有數(shù)據(jù)未讀出。在每次發(fā)送數(shù)據(jù)之前（在寫發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器 UDR 前）TXC 標志位必須清零。 數(shù)據(jù)發(fā)送－ USART 發(fā)送器 置位 UCSRB 寄存器的發(fā)送允許位 TXEN 將使能 USART 的數(shù)據(jù)發(fā)送。 使能后 TXD 引腳的通用 I/O 功能即被 USART 功能所取代，成為發(fā)送器的串行輸出引腳。發(fā)送數(shù)據(jù)之前要設置好波特 率、工作模式與幀結(jié)構(gòu)。如果使用同步發(fā)送模式，施加于 XCK 引腳上的時鐘信號即為數(shù)據(jù)發(fā)送的時鐘。 （ 1）發(fā)送 5到 8位的數(shù)據(jù) 將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)加載到發(fā)送緩存器將啟動數(shù)據(jù)發(fā)送。加載過程即為 CPU對 UDR 寄存器的寫操作。當移位寄存器可以發(fā)送新一幀數(shù)據(jù)時，緩沖的數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)移到移位寄存器。當移位寄存器處于空閑狀態(tài)（沒有正在進行的數(shù)據(jù)傳輸），或前一幀數(shù)據(jù)的最后一個停止位傳送結(jié)束，它將加載新的數(shù)據(jù)。一旦移位寄存器加載 了新的數(shù)據(jù)，就會按照設定的波特率完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。 寫入 UDR 相應置的 第二章 硬件設計 7 高幾位將被忽略。 （ 2）發(fā)送 9 位的數(shù)據(jù)位 如 果發(fā)送 9 位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀（ UCSZ=7），應先將數(shù)據(jù)的第 9 位寫入寄存器UCSRB 的 TXB8，然后再將低 8 位數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器 UDR。 （ 3）傳送標志位與中斷 USART 發(fā)送器有兩個標志位： USART 數(shù)據(jù)寄存器空標志 UDRE 及傳輸結(jié)束標志 TXC，兩個標志位都可以產(chǎn)生中斷。 數(shù)據(jù)寄存器空 UDRE 標志位表示發(fā)送緩沖器是否可以接受一個新的數(shù)據(jù)。該位在發(fā)送緩沖器空時被置 “ 1” ；當發(fā)送緩沖器包含需要發(fā)送的數(shù)據(jù)時清零。為與將來的器件兼容，寫 UCSRA 寄存器時該位要寫 “ 0” 。 當 UCSRB 寄存器中的數(shù)據(jù)寄存器空中斷使能位 UDRIE 為 “ 1” 時 ，只要UDRE 被置位（且全局中斷使能），就將產(chǎn)生 USART 數(shù)據(jù)寄存器空中斷請求。對寄存器 UDR 執(zhí)行寫操作將清零 UDRE。當采用中斷方式的傳輸數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)寄存器空中斷服務程序中必須寫一個新的數(shù)據(jù)到 UDR 以清零 UDRE；或者是禁止數(shù)據(jù)寄存器空中斷。否則一旦該中斷程序結(jié)束，一個新的中斷將再次產(chǎn)生。 當整個數(shù)據(jù)幀移出發(fā)送移位寄存器，同時發(fā)送緩沖器中又沒有新的數(shù)據(jù)時，發(fā)送結(jié)束標志 TXC 置位。 TXC 在傳送結(jié)束中斷執(zhí)行時自動清零，也可在該位寫“ 1” 來清零。 當 UCSRB 上的發(fā)送結(jié)束中斷使能位 TXCIE與全局中斷使能位均被置為 “ 1”時，隨著 TXC 標志位的置位， USART 發(fā)送結(jié)束中斷將被執(zhí)行。一旦進入中斷服務程序， TXC 標志位即被自動清零，中斷處理程序不必執(zhí)行 TXC 清零操作。 （ 4）禁止發(fā)送器 TXEN 清零后，只有等到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后發(fā)送器才能夠真正禁止，即發(fā)送移位寄存器與發(fā)送緩沖寄存器中沒有要傳送的數(shù)據(jù)。 發(fā)送器禁止后， TXD 引腳恢復其通用 I/O 功能。 數(shù)據(jù)接收－ USART 接收器 置位 UCSRB 寄存器的接收允許位（ RXEN）即可啟動 USART 接收器。接收器使能后 RXD的普通引腳功能被 USART功能所取代，成為接收器的串行輸入口。進行數(shù)據(jù)接收之前首先要設置好波特率、操作模式及幀格式。如果使用同步操作，XCK 引腳上的時鐘被用為傳輸時鐘。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計論文 8 （ 1）接收 5到 8個數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù) 一旦接收器檢測到一個有效的起始位，便開始接收數(shù)據(jù)。起始位后的每一位數(shù)據(jù)都將以所設定的波特率或 XCK 時鐘進行接收，直到收到一幀數(shù)據(jù)的第一個停止位。接收到的數(shù)據(jù) 被送入接收移位寄存器。第二個停止位會被接收器忽略。接收到第一個停止位后，接收移位寄存器就包含了一個完整的數(shù)據(jù)幀。這時移位寄存器中的內(nèi)容將被轉(zhuǎn)移到接收緩沖器中。通過讀取 UDR 就可以獲得接收緩沖器的內(nèi)容的。 （ 2）接收 9個數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù) 如果設定了 9 位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀（ UCSZ=7），在從 UDR 讀取低 8 位之前必須首先讀取寄存器 UCSRB 的 RXB8 以獲得第 9 位數(shù)據(jù)。這個規(guī)則同樣適用于狀態(tài)標志位 FE、 DOR 及 UPE。狀態(tài)通過讀取 UCSRA 獲得，數(shù)據(jù)通過