【文章內(nèi)容簡介】 8～100腳4～256KB512字節(jié)～16KB512字節(jié)～4 KBXMEGA44～100腳16～384KB8～32KB2～4 KB，megaAVR系列單片機剛屬于中檔產(chǎn)品，其性能不僅優(yōu)越，同時也有非常好的性價比。例如，引腳數(shù)最少（28腳）的ATmega8，在市場上的價格大約10元人民幣，卻具備了1KB的SRAM、8KB的Flash、512字節(jié)的EEPROM，2個8位和1個16位共3個超強功能的定時/計數(shù)器等多種功能的接口和特性。在AVR系列單片機中，ATmega16是一款中檔功能的AVR芯片，它的引腳數(shù)為40（44TQFP），在片內(nèi)集成了1KB的SRAM、16KB的Flash、512字節(jié)的EEPROM，2個8位、1個16位共3個超強功能的定時/計數(shù)器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(I2C)、片內(nèi)高精度RC振蕩器等多種功能的接口和特性。本課題中使用的即為ATmega16（工業(yè)級）單片機。 ATmega16的特點ATmega16 是基于增強的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。其主要特點如下：1) 先進的RISC 結(jié)構(gòu)216。 131條機器指令，且大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個系統(tǒng)時鐘周期216。 32個8位通用工作寄存器216。 工作于16 MHz 時性能高達16MIPS216。 配備只需2個時鐘周期的硬件乘法器2) 片內(nèi)含有較大容量、非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器216。 16KB在線可編程（ISP）Flash程序存儲器（擦寫壽命: 大于10000 次）采用Boot load技術(shù)支持IAP功能216。 1KB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，可實現(xiàn)3級鎖定的程序加密216。 512字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器（擦寫壽命: 大于10000 次）3) 片內(nèi)含JTAG 接口( 與IEEE 標(biāo)準(zhǔn)兼容)216。 支持符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能用于芯片檢測；216。 支持?jǐn)U展的片內(nèi)在線調(diào)試功能；216。 可通過JTAG口對片內(nèi)的Flash、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密實現(xiàn)下載編程4) 外圍接口216。 2個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器216。 1個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器216。 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC216。 4通道PWM216。 8路10位ADC216。 面向字節(jié)的兩線接口TWI（兼容I2C硬件接口）216。 1個可編程、增強型全雙工，支持同步/異步通信的串行接口USART216。 1個可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口（支持ISP程序下載）216。 片內(nèi)模擬比較器216。 內(nèi)含可編程的具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器5) 其他特點216。 片內(nèi)含上電復(fù)位電路以及可編程的掉電檢測復(fù)位電路BOD216。 片內(nèi)含有1/2/4/8MHz經(jīng)過標(biāo)定的、可校正的RC振蕩器可作為系統(tǒng)時鐘使用，216。 多達21個各種類型的片外部中斷源216。 有6種休眠模式支持節(jié)電方式216。 工作電壓范圍寬：～，～216。 運行速度快：ATmega16L為0～8MHz，ATmega16為0～16MHz216。 低功耗：ATmega16L工作在1MHz、3V、25℃時的典型功耗：，掉電工作模式為1uA。 AVR單片機的內(nèi)核結(jié)構(gòu) 本課題中的硬件平臺主要以ATmega16單片機（工業(yè)級）為核心，ATmega16是ATMEL公司生產(chǎn)的一款中檔功能的AVR芯片，它的引腳數(shù)為40（44TQFP），在片內(nèi)集成了1KB的SRAM、16KB的Flash、512字節(jié)的EEPROM，2個8位、1個16位共3個超強功能的定時/計數(shù)器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(I2C)、片內(nèi)高精度RC振蕩器等多種功能的接口和特性。圖23為典型的AVR單片機的內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖。[5] 為了提高MCU并行處理的運行效率，AVR單片機采用了程序存儲器和數(shù)據(jù)圖23 AVR單片機的內(nèi)核結(jié)構(gòu)示意圖存儲器使用不同存儲空間和存取總線的Harvard結(jié)構(gòu)。算術(shù)邏輯單元（ALU）使用單級流水線操作方式對程序存儲器進行訪問，在執(zhí)行當(dāng)前一條指令的同時，也完成了從程序存儲器中取出下一條將要執(zhí)行指令的操作，因此執(zhí)行一條指令的時間僅需要一個時鐘周期。 在AVR的內(nèi)核中，由32個訪問操作只需要一個時鐘周期的8位通用工作寄存器組成了“快速訪問寄存器級”?！翱焖僭L問”意味著在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一個完整的ALU操作。這個ALU操作中包含3個過程：從寄存器組中取出兩個操作數(shù)；操作數(shù)被執(zhí)行；將執(zhí)行結(jié)果寫回目的寄存器中。這3個過程是在一個時鐘周期內(nèi)完成的 ，構(gòu)成一個完整的ALU操作。 AVR單片機的算術(shù)邏輯單元（ALU）支持寄存器之間、立即數(shù)與寄存器之間的算術(shù)與邏輯運算功能，以及單一寄存器操作。每個運算操作的結(jié)果將影響和改變狀態(tài)寄存器（SREG）的值。 AVR的中斷控制由I/O寄存器空間的中斷控制寄存器和狀態(tài)寄存器中的全局中斷向量使能位組成。每個中斷都分別對應(yīng)一個中斷向量（中斷入口地址）。所有的中斷向量構(gòu)成了中斷向量表，該中斷向量表位于Flash程序存儲器空間的最前面。中斷的中斷向量地址越小，其中斷的優(yōu)先級越高。 I/O空間為連續(xù)的64個I/O寄存器空間，它們分別對應(yīng)MCU各個外圍功能的控制和數(shù)據(jù)地址，如控制寄存器、定時/計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器及其它的I/O功能等。I/O寄存器空間可使用I/O寄存器訪問指令直接訪問，也可將其映射為通用工作寄存器組后的數(shù)據(jù)存儲器空間，使用數(shù)據(jù)存儲器訪問指令進行操作。I/O寄存器空間在數(shù)據(jù)存儲器空間的映射地址為$020~$05F。 從圖中可以看出，ATmega16內(nèi)部的主要構(gòu)成部分如下：216。 AVR CPU部分216。 程序存儲器Flash216。 數(shù)據(jù)存儲器RAM和EEPROM216。 各種功能的外圍接口、I/O口，以及它們相關(guān)的數(shù)據(jù)、控制、狀態(tài)寄存器等 ATmega16的外部引腳與封裝ATmega16單片機有3種形式封裝：PDIP40（雙列直插）、TQFP44（方形）和MLF44（貼片形式）。其外部引腳封裝如圖24所示。(a)PDIP40封裝 (b)TQFP/MLF44封裝圖24 ATmega16的引腳與封裝示意圖各引腳的功能如下：1) 電源、系統(tǒng)晶振、芯片復(fù)位引腳VCC芯片供電（片內(nèi)數(shù)字電路電源）輸入引腳，使用時連接到電源正極。AVCC端口A和片內(nèi)ADC模擬電路電源輸入引腳。不使用ADC時，直接連接到電源正極；使用ADC時，應(yīng)通過一個低通電源濾波器與VCC連接。AREF使用ADC時，可作為外部ADC參考源的輸入引腳。GND芯片接地引腳，使用時接地，XTAL2片內(nèi)反相振蕩放大器的輸出端。XTAL1片內(nèi)反相振蕩放大器和內(nèi)部時鐘操作電路的輸入端。RESET芯片復(fù)位輸入引腳。在該引腳上施加（拉低），將引起芯片的硬件復(fù)位（外部）復(fù)位。2) I/O引腳 I/O引腳共32只，分成PA、PB、PC和PD 4個8位端口，它們?nèi)渴强删幊炭刂频碾p（多）功能復(fù)用的I/O端口。 4個端口的第一功能是通用雙向數(shù)字輸入/輸出（I/O）口，其中第一位都可以由指令設(shè)置為獨立的輸入口或輸出口。當(dāng)I/O口設(shè)置為輸入方式時，引腳內(nèi)部還配置有上拉電阻，這個內(nèi)部的上拉電阻可通過編程設(shè)置為上拉有效或上拉無效。 如果AVR的I/O口設(shè)置為輸出方式工作，則當(dāng)其輸出高電平時，能夠輸出20mA的電流；而當(dāng)其輸出低電平時，可以吸收40mA的電流。因此AVR單片機的I/O口驅(qū)動能力非常強，能夠直接驅(qū)動LED發(fā)光二極管、數(shù)碼管等。而時期單片機I/O口的驅(qū)動能力只有5mA,驅(qū)動LED時，還需要增加外部的驅(qū)動電路和器件。 芯片RESET復(fù)位后，所有I/O口的默認(rèn)狀態(tài)為輸入方式，上拉電阻無效，即I/O為輸入高阻三態(tài)。 ATmega16的異步傳輸接口USARTAVR的USART是一個增強型的、高度靈活的串行通信設(shè)備，ATmega16在片內(nèi)集成了一個全雙工的通用同步/異步串行收發(fā)器USART。其主要特點如下：216。 全雙工操作（相互獨立的接收數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器）；216。 支持同步或異步傳輸操作；216。 同步傳輸操作時，可采用主機時鐘同步，也可采用從機時鐘同步；216。 獨立的高精度波特率發(fā)生器，不占用定時/計數(shù)器；216。 擴展的、支持5～9位數(shù)據(jù)位和1位和2位停止位的串行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；216。 由硬件支持的奇偶校驗位的發(fā)生和數(shù)據(jù)校驗；216。 硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)溢出檢測；216。 硬件實現(xiàn)的幀錯誤檢測；216。 包括錯誤起始位檢測的噪聲濾波器和數(shù)字低通濾波器；216。 配備3個完全獨立的中斷源：TX發(fā)送完成、TX發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空和RX接收完成；216。 支持多機通信模式；216。 支持倍（高）速異步通信模式；圖25為ATmega16的全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊USART收發(fā)器的接口硬件結(jié)構(gòu)方框圖。圖中用虛線框?qū)SART收發(fā)模塊分為三大部分：時鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器。控制寄存器為所有的模塊共享。圖25 USART收發(fā)器接口硬件結(jié)構(gòu)圖時鐘發(fā)生器由同步邏輯電路（在同步從模式下由外部時鐘輸入驅(qū)動）和波特率發(fā)生器組成，發(fā)送時鐘引腳XCK僅用于同步發(fā)送模式下。發(fā)送器部分由1個單獨的寫入緩沖器（發(fā)送UDR）、1個串行移位寄存器、校驗位發(fā)生器和用于處理不同幀結(jié)構(gòu)的控制邏輯電路構(gòu)成。接收器是USART模塊中最復(fù)雜的部分，最主要的是時鐘和數(shù)據(jù)接收單元。數(shù)據(jù)接收單元用作異步數(shù)據(jù)的接收。除了接收單元外，接收器還包括校驗器、控制邏輯，移位寄存器和2級接收緩沖器（接收UDR）。接收器支持與發(fā)送器相同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，同時由硬件實現(xiàn)并完成數(shù)據(jù)幀錯誤、接收數(shù)據(jù)溢出和校驗錯誤的檢測。543系統(tǒng)硬件設(shè)計本課題中的硬件平臺主要以ATmega16單片機（工業(yè)級）為核心，ZigBee無線數(shù)傳模塊為通信模塊，以歐姆龍固態(tài)繼電器為電機驅(qū)動模塊，電源控制電路采用220V市電作為電源，模塊內(nèi)部進行ACDC電源轉(zhuǎn)換，用ACDC電源轉(zhuǎn)換模塊為單片機和Zigbee模塊供電。其中ZigBee無線數(shù)傳模塊為順舟科技有限公司生產(chǎn)的SZ05嵌入式模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)上位機與終端的通信?？梢詫Υ昂煹臓顟B(tài)進行查詢和對驅(qū)動電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停的動作控制，最終實現(xiàn)對窗簾的開、關(guān)、停的動作控制。其硬件系統(tǒng)連接實物圖如圖31所示，主控板實物圖如圖32所示，硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖33所示。圖31 硬件系統(tǒng)連接實物圖圖32 主控板實物圖圖33 硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖 單片機模塊具體設(shè)計AVR單片機模塊是本課題中整個系統(tǒng)的核心，本課題中使用的AVR單片機為ATmega16單片機（工業(yè)級）是ATMEL公司生產(chǎn)的一款中檔功能的AVR芯片，它的引腳數(shù)為40（本課題中使用的是TQFP44封裝形式），在片內(nèi)集成了1KB的SRAM、16KB的Flash、512字節(jié)的EEPROM，2個8位、1個16位共3個超強功能的定時/計數(shù)器，以及USART、SPI、多路10位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI(I2C)、片內(nèi)高精度RC振蕩器等多種功能的接口和特性[6]。ATmega16單片機的具體技術(shù)特點已在第2章進行了細致的描述，這里不再做描述。該系統(tǒng)由ATmega16單片機控制其他各個模塊的協(xié)同工作。從ZigBee模塊接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)和指令，在正確接收到數(shù)據(jù)后對上位機進行信息的反饋。單片機內(nèi)部處理信息后對繼電器輸出模塊進行相應(yīng)的操作，以實現(xiàn)對窗簾的控制。電路設(shè)計如圖34所示。圖34 ATmega16最小系統(tǒng)電路圖電路連接引腳說明如下：引腳標(biāo)識功能1MOSIATmega16單片機程序下載接口MOSI，與ISP下載接口連接。2MISOATmega16單片機程序下載接口MISO，與ISP下載接口連接。3SCKATmega16單片機程序下載接口SCK，與ISP下載接口連接。4RESETATmega16單片機程序下載接口RESET，與ISP下載接口連接。7XTAL2晶振電路。8XTAL1晶振電路。9RXD0異步串行通信接口。10TXD0異步串行通信接口。19LED系統(tǒng)工作指示燈。20OPEN3_CON控制窗簾停。21OPEN2_CON控制窗簾關(guān)。22OPEN1_CON控制窗簾開。32SZ_SLEEP控制ZigBee進行睡眠模式。順舟科技SZ05L系列ZigBee無線串口通信模塊，采用了加強型的ZigBee無線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性；可實現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；可組MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。SZ05系列無線通信模塊數(shù)據(jù)接口包括：TTL電平收發(fā)接口、標(biāo)準(zhǔn)串口RS232數(shù)據(jù)接口，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播方式發(fā)送、按照目標(biāo)地址發(fā)送模式，除可實現(xiàn)一般的點對點數(shù)據(jù)通信功能外，還可實現(xiàn)多點之間的數(shù)據(jù)通訊。SZ05模塊，支持RS485，RS232（TTL）接口形式，因此在實現(xiàn)過程中選用第二種RS232（TTL）模式。此模式中接口規(guī)范相對簡單，只需2根信號線：即TXD，RXD。由于接口電平模式兼容AVR單片機，因此采用電路直連方式，與CPU的異步串行接口交叉連接。這樣可以方便的與ATmega16單片機集成在一塊電路上，縮小了終端設(shè)備的體積。順舟SZ05LSTD無線數(shù)傳模塊擁有多種串口數(shù)據(jù)接口，方便用戶安裝和使用，有RS23RS48TTL等三種數(shù)據(jù)接口，具體的接線引腳如圖35所示[3]：圖3