基于AVR單片機的控制系統(tǒng)設計

現(xiàn)在許多的系統(tǒng)都采用了多通道Input/Output的設計，控制系統(tǒng)的設計也日趨復雜、龐大，所以有必要將控制電路單獨分離出來。過去許多系統(tǒng)均采用C51系列單片機作為控制電路，但其功能有限，電路設計較為復雜、影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也不易擴展。本文介紹的AVR單片機由美國ATMEL公司生產(chǎn)，采用RISC指令集，內(nèi)置RAM及可以擦寫數(shù)千次的FLASH，采用哈佛結(jié)構(gòu)，速度較快。ATmega128為此系列中功能最強大的一款，用于設計控制系統(tǒng)能適應現(xiàn)時復雜系統(tǒng)的要求。

AVR單片機介紹

ATMEL公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存儲器和數(shù)字集成電路的一流半導體制造公司。AVR單片機由ATMEL公司開發(fā)，是過去12年里第一個新發(fā)布的8位RISCMCU，執(zhí)行大多數(shù)指令只需一個時鐘周期速度快(8MHzAVR≈200MHzC51)。其32個通用寄存器直接與ALU相連，消除了運算瓶頸；同時由于C編譯專家的參與，C代碼效率極高；用戶在享受C語言帶來的極大便利的同時無需擔心消耗更多的資源。芯片內(nèi)嵌可串行下載或自我編程的FLASH和E2PROM。具有以下功能：電壓檢測BOD復位源寄存器看門狗、PWM、10位A/D、模擬比較器、UART、I2C、SPI、實時時鐘等。具有Idle/Power-Save和Power-Down等低功耗運行模式，可電平中斷喚醒PowerDown。同時具有完整產(chǎn)品線，F(xiàn)LASH從1KB到128KB，E2PROM從64B到4KB，SRAM從128B到4KB，引腳數(shù)從8到64。

其中Atmeg128為AVR系列中的代表性產(chǎn)品之一。相比其它產(chǎn)品，該芯片有以下特性：

(1)先進的RISC結(jié)構(gòu)：133條功能強大的指令，大部分在單時鐘周期內(nèi)完成，32×8個通用工作寄存器+外設控制寄存器，最高可工作在16MHz下，性能可達16MIPS；片內(nèi)帶有執(zhí)行時間為2個時鐘周期的硬件乘法器。
(2)程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)：128kB在線可編程Flash存儲器，可反復擦寫1000次；可通過獨立的加密位選擇引導程序代碼段，可通過片內(nèi)引導程序?qū)崿F(xiàn)在線系統(tǒng)編程，寫操作時真正可讀；4kB的EEPROM存儲區(qū)，可反復擦寫100，000次。4kB的片內(nèi)SRAM存儲區(qū)，可外部擴展為64kB。

系統(tǒng)硬件設計框架

硬件系統(tǒng)主要由CPU(AVR單片機)、人機操作和顯示接口(液晶顯示、鍵盤、指示燈和蜂鳴器)、通信接口組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示

圖1　系統(tǒng)硬件設計框圖

CPU為核心處理器件，通過I/O接口方式或A/D總線方式與液晶、顯示鍵盤、指示燈和蜂鳴器交互，作者實現(xiàn)了兩個版本，分別采用I/O方式和A/D總線方式。通信接口主要用到了UART接口和擴展的網(wǎng)絡接口。其中UART提供了RS-232和RS-485接口，RS-232提供全雙工單對單通信同時，而RS-485以主/從方式與系統(tǒng)的多個部分通信，可用于多通道的輸入輸出設備。該芯片本身并不帶網(wǎng)絡接口，通過擴展一個W3100A連接RT-L8201(L)芯片，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，從而使設備可以接入LAN，實現(xiàn)在LAN內(nèi)的遠程控制管理和監(jiān)控。