基于AVR單片機的控制系統(tǒng)設計

　　引言

　　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，采用RISC指令集，內置RAM及可以擦寫數(shù)千次的FLASH，采用哈佛結構，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系列中的代表性產品之一。相比其它產品，該芯片有以下特性：

　　(1)先進的RISC結構：133條功能強大的指令，大部分在單時鐘周期內完成，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，可通過片內引導程序實現(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內的遠程控制管理和監(jiān)控。

　　系統(tǒng)軟件結構

　　系統(tǒng)軟件體系分為幾個部分：

　　(1)系統(tǒng)的循環(huán)檢測部分，用于檢測各通道的系統(tǒng)設備工作是否正常，出現(xiàn)異常時則通過三色指示燈報警(綠色代表正常，紅色代表異常，黃色為中間狀態(tài))。

　　(2)系統(tǒng)的設置部分，接受用戶按鍵，用戶可以在GUI上設置希望設置的參數(shù)。

　　(3)網(wǎng)絡接口部分，此時單片機系統(tǒng)不參與設置，主要功能將網(wǎng)絡部分獲得的數(shù)據(jù)導至各通道。軟件系統(tǒng)的核心部分在于菜單結構的設計。

　　本系統(tǒng)采用一種基于節(jié)點編號的三叉樹狀菜單的設計。將整個菜單看作一個菜單樹，每個界面對應于樹中的一個節(jié)點，父節(jié)點為當前菜單的上一級菜單;右節(jié)點為當前菜單的“兄弟”菜單，亦即上級菜單的其余子菜單。

　　我們采用對節(jié)點編號的方式將整個菜單樹串起來，通過識別節(jié)點編號(ID)就能知道該節(jié)點處于哪一級菜單，同時也便于我們將菜單數(shù)初始化。編號方式：每級子菜單的編號為上級父菜單ID乘以10再加上該級子菜單在上級菜單中對應的子項號(1，2，3.)，我們將根節(jié)點ID編號為1，則根節(jié)點菜單的子菜單對應的ID分別為11，12，13.ID為11的節(jié)點的下級菜單ID為：111，112，113.一個樹型結構菜單的結構和ID編號的實例如圖2所示。

　　Typedef structmenu{ long ID; / /當前菜單ID void ( * disp laymenu) ( long i， unsigned char j) ; / /當前菜單對應處理函數(shù)char cur; / /當前菜單子項char total; / /子菜單總數(shù)structmenu * up， * down， * right; / /毗鄰子菜單}MENU;

　　圖2一個菜單樹的實例