Atmega16 單片機串口通信與外部中斷介紹

ATmega16單片機帶有一個全雙工的通用同步/異步串行收發(fā)模塊USART，該接口是一個高度靈活的串行通訊設備。其主要特點如下：

全雙工操作，可同時進行收發(fā)操作；

支持同步或異步操作；

支持5、6、7、8和9位數據位，1位或者2位停止位的串行數據幀結構；

三個完全獨立的中斷，TX發(fā)送完成，TX發(fā)送數據寄存器空，RX接收完成；

支持多機通訊模式；

相關寄存器：

USART數據寄存器—UDR；

USART控制和狀態(tài)寄存器—UCSRA，UCSRB，UCSRC；

波特率寄存器—UBRRL和UBRRH；

串口背景知識

（1）串行通訊簡介

串行同步通訊容易理解，約定一個同步時鐘，每一時刻傳輸線上的信息就是要傳送的信息單元。串行異步通訊是把一個字符看作一個獨立的信息單元，每一個字符中的各位是以固定的時間傳送。因此，這種傳送方式在同一字節(jié)內部是同步的，而字符間是異步的。在異步通信中收發(fā)雙方取得同步的方法是采用在字符格式中設置起始位，而在字符結束時發(fā)送1～2個停止位。當接收器檢測到起始位時，便能知道經接著的是有效的字符位，于是開始接收字符，檢測到停止位時，就將接收到的有效字符裝載到接收緩沖器中。最簡單的串口通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數據同時在另一根線上接收數據。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數必須匹配：

a，波特率：這是一個衡量通信速度的參數。它表示每秒鐘傳送的bit的個數。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數據線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設備的通信。

b，數據位：這是衡量通信中實際數據位的參數。當計算機發(fā)送一個信息包，實際的數據不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設置取決于你想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0～127（7位）。擴展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數據使用簡單的文本（標準ASCII碼），那么每個數據包使用7位數據。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數據位和奇偶校驗位。由于實際數據位取決于通信協(xié)議的選取，術語“包”指任何通信的情況。

c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數據位后面的一位），用一個值確保傳輸的數據有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數據是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數是偶數個。如果是奇校驗，校驗位位1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數據，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數據是否不同步

通常異步通信的格式如圖：

USART接受以下30種組合的數據幀格式：

&8226; 1個起始位

&8226; 5、6、7、8或9個數據位

&8226;無校驗位、奇校驗或偶校驗位

&8226; 1或2個停止位

數據幀以起始位開始；緊接著是數據字的最低位，數據字最多可以有9個數據位，以數據的最高位結束。如果使能了校驗位，校驗位將緊接著數據位，最后是結束位。當一個完整的數據幀傳輸后，可以立即傳輸下一個新的數據幀，或使傳輸線處于空閑狀態(tài)。

數據幀的結構由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據傳送與接收。

（2）串口的組成

串口由陰陽兩種接口組成。最常使用的信號引腳是TD、RD和SG，因此最簡單的串口調試只需要包含3條引線就可以了。在RS232（一種串行工業(yè)總線標準）標準中，利用RD、TD作為接收、發(fā)送信號線，加入地線，約定好通訊的波特率，實現(xiàn)串行信號傳輸。

（3）串口電平轉換電路

PC的串口工作TTL信號是12V的，而在我們一般使用的電路板上，電源信號和TTL電平是5V的（在低功耗電路中是3.3V的），為了將信號轉化為可用，需要做串口的電平轉換。這一部分電路已經有相應的生產廠商做出了各種集成芯片，例如MAXIM公司的MAX232/MAX233芯片，就是實現(xiàn)5V電路中和PC實現(xiàn)串口通信的電平轉換芯片，而MAX3232/MAX3233可以實現(xiàn)3.3V的電平轉換。

串口寄存器介紹

USART I/O數據寄存器－UDR

USART發(fā)送數據緩沖寄存器和USART接收數據緩沖寄存器共享相同的I/O地址，稱為USART數據寄存器或UDR。將數據寫入UDR時實際操作的是發(fā)送數據緩沖器存器(TXB)，讀UDR時實際返回的是接收數據緩沖寄存器(RXB)的內容。在5、6、7比特字長模式下，未使用的高位被發(fā)送器忽略，而接收器則將它們設置為0。只有當UCSRA寄存器的UDRE標志置位后才可以對發(fā)送緩沖器進行寫操作。如果UDRE沒有置位，那么寫入UDR的數據會被USART發(fā)送器忽略。當數據寫入發(fā)送緩沖器后，若移位寄存器為空，發(fā)送器將把數據加載到發(fā)送移位寄存器。然后數據串行地從TxD引腳輸出。接收緩沖器包括一個兩級FIFO，一旦接收緩沖器被尋址FIFO就會改變它的狀態(tài)。因此不要對這一存儲單元使用讀-修改-寫指令(SBI和CBI)。使用位查詢指令(SBIC和SBIS)時也要小心，因為這也有可能改變FIFO的狀態(tài)。

USART控制和狀態(tài)寄存器A－UCSRA

&8226; Bit 7 – RXC: USART接收結束

接收緩沖器中有未讀出的數據時RXC置位，否則清零。接收器禁止時，接收緩沖器被刷新，導致RXC清零。RXC標志可用來產生接收結束中斷(見對RXCIE位的描述)。

&8226; Bit 6 – TXC: USART發(fā)送結束

發(fā)送移位緩沖器中的數據被送出，且當發(fā)送緩沖器(UDR)為空時TXC置位。執(zhí)行發(fā)送結束中斷時TXC標志自動清零，也可以通過寫1進行清除操作。TXC標志可用來產生發(fā)送結束中斷(見對TXCIE位的描述)。

&8226; Bit 5 – UDRE: USART數據寄存器空

UDRE標志指出發(fā)送緩沖器(UDR)是否準備好接收新數據。UDRE為1說明緩沖器為空，已準備好進行數據接收。UDRE標志可用來產生數據寄存器空中斷(見對UDRIE位的描述)。復位后UDRE置位，表明發(fā)送器已經就緒。

&8226; Bit 4 – FE:幀錯誤

如果接收緩沖器接收到的下一個字符有幀錯誤，即接收緩沖器中的下一個字符的第一個停止位為0，那么FE置位。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR)被讀取。當接收到的停止位為1時，F(xiàn)E標志為0。對UCSRA進行寫入時，這一位要寫0。

&8226; Bit 3 – DOR:數據溢出

數據溢出時DOR置位。當接收緩沖器滿(包含了兩個數據)，接收移位寄存器又有數據，若此時檢測到一個新的起始位，數據溢出就產生了。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR)被讀取。對UCSRA進行寫入時，這一位要寫0。

&8226; Bit 2 – PE:奇偶校驗錯誤

當奇偶校驗使能(UPM1 = 1)，且接收緩沖器中所接收到的下一個字符有奇偶校驗錯誤時UPE置位。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR)被讀取。對UCSRA進行寫入時，這一位要寫0。

&8226; Bit 1 – U2X:倍速發(fā)送

這一位僅對異步操作有影響。使用同步操作時將此位清零。此位置1可將波特率分頻因子從16降到8，從而有效的將異步通信模式的傳輸速率加倍。

&8226; Bit 0 – MPCM:多處理器通信模式

設置此位將啟動多處理器通信模式。MPCM置位后，USART接收器接收到的那些不包含地址信息的輸入幀都將被忽略。發(fā)送器不受MPCM設置的影響。詳細信息請參考P150“多處理器通訊模式”。

USART控制和狀態(tài)寄存器B－UCSRB

&8226; Bit 7 – RXCIE:接收結束中斷使能

置位后使能RXC中斷。當RXCIE為1，全局中斷標志位SREG置位，UCSRA寄存器的RXC亦為1時可以產生USART接收結束中斷。

&8226; Bit 6 – TXCIE:發(fā)送結束中斷使能

置位后使能TXC中斷。當TXCIE為1，全局中斷標志位SREG置位，UCSRA寄存器的TXC亦為1時可以產生USART發(fā)送結束中斷。

&8226; Bit 5 – UDRIE: USART數據寄存器空中斷使能

置位后使能UDRE中斷。當UDRIE為1，全局中斷標志位SREG置位，UCSRA寄存器的UDRE亦為1時可以產生USART數據寄存器空中斷。

&8226; Bit 4 – RXEN:接收使能

置位后將啟動USART接收器。RxD引腳的通用端口功能被USART功能所取代。禁止接收器將刷新接收緩沖器，并使FE、DOR及PE標志無效。

&8226; Bit 3 – TXEN:發(fā)送使能

置位后將啟動將啟動USART發(fā)送器。TxD引腳的通用端口功能被USART功能所取代。TXEN清零后，只有等到所有的數據發(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據。發(fā)送器禁止后，TxD引腳恢復其通用I/O功能。

&8226; Bit 2 – UCSZ2:字符長度

UCSZ2與UCSRC寄存器的UCSZ1:0結合在一起可以設置數據幀所包含的數據位數(字符長度)。

&8226; Bit 1 – RXB8:接收數據位8

對9位串行幀進行操作時，RXB8是第9個數據位。讀取UDR包含的低位數據之前首先要讀取RXB8。

&8226; Bit 0 – TXB8:發(fā)送數據位8

對9位串行幀進行操作時，TXB8是第9個數據位。寫UDR之前首先要對它進行寫操作。

USART控制和狀態(tài)寄存器C－UCSRC

&8226; Bit 7 – URSEL:寄存器選擇

通過該位選擇訪問UCSRC寄存器或UBRRH寄存器。當讀UCSRC時，該位為1；當寫UCSRC時，URSEL為1。

&8226; Bit 6 – UMSEL: USART模式選擇

通過這一位來選擇同步或異步工作模式。

&8226; Bit 5:4 – UPM1:0:奇偶校驗模式

這兩位設置奇偶校驗的模式并使能奇偶校驗。如果使能了奇偶校驗，那么在發(fā)送數據，發(fā)送器都會自動產生并發(fā)送奇偶校驗位。對每一個接收到的數據，接收器都會產生一奇偶值，并與UPM0所設置的值進行比較。如果不匹配，那么就將UCSRA中的PE置位。

&8226; Bit 3 – USBS:停止位選擇

通過這一位可以設置停止位的位數。接收器忽略這一位的設置。

&8226; Bit 2:1 – UCSZ1:0:字符長度

UCSZ1:0與UCSRB寄存器的UCSZ2結合在一起可以設置數據幀包含的數據位數(字符長度)。

&8226; Bit 0 – UCPOL:時鐘極性

這一位僅用于同步工作模式。使用異步模式時，將這一位清零。UCPOL設置了輸出數據的改變和輸入數據采樣，以及同步時鐘XCK之間的關系。

USART波特率寄存器－UBRRL和UBRRH

UCSRC寄存器與UBRRH寄存器共用相同的I/O地址。

&8226; Bit 15 – URSEL:寄存器選擇

通過該位選擇訪問UCSRC寄存器或
UBRRH寄存器。當讀UBRRH時，該位為0；當寫UBRRH時，URSEL為0。

&8226; Bit 14:12 –保留位

這些位是為以后的使用而保留的。為了與以后的器件兼容，寫UBRRH時將這些位清零。

&8226; Bit 11:0 – UBRR11:0: USART波特率寄存器

這個12位的寄存器包含了USART的波特率信息。其中UBRRH包含了USART波特率高4位，UBRRL包含了低8位。波特率的改變將造成正在進行的數據傳輸受到破壞。寫UBRRL將立即更新波特率分頻器。

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，幀結構的設定，以及根據需要使能接收器或發(fā)送器。對于中斷驅動的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)

串口初始化：

使用串口->使能接收->使能發(fā)送->波特率（本例使用9600）->奇偶校驗（disable）->數據位數（8bit）->中斷（RX Complete interrupt）

//ICC-AVR application builder : 2007-5-10下午08:51:56

// Target : M16

// Crystal: 11.059Mhz

//UART0 initialisation

// desired baud rate: 9600

// actual: baud rate:9600 (0.0%)

// char size: 8 bit

// parity: Disabled

void uart0_init(void)

{

UCSRB = 0x00; //disable while setting baud rate

UCSRA = 0x00;

UCSRC = 0x86;

UBRRL = 0x47; //set baud rate lo

UBRRH = 0x00; //set baud rate hi

UCSRB = 0x98;

}

//省略了端口初始化

//call this routine to initialise all peripherals

void init_devices(void)

{

//stop errant interrupts until set up

CLI(); //disable all interrupts

port_init();

uart0_init();//注意這句調用串口初始化

MCUCR = 0x00;

GICR= 0x00;

TIMSK = 0x00; //timer interrupt sources

SEI(); //re-enable interrupts

//all peripherals are now initialised

接收模塊（中斷接受）：

#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:12

void uart0_rx_isr(void)

{

//uart has received a character in UDR

Data = UDR;

}

注意：Data必須是全局變量才能從函數中返回得到的值。

發(fā)送模塊（查詢發(fā)送）：

void USART_Transmit( unsigned char data )

{

/* Wait for empty transmit buffer */

while ( !( UCSRA & (1<

/* Put data into buffer, sends the data */

UDR = data;

}

小提示：

如果接受到一個字符后，馬上回復，只需要在接收中斷函數的最后寫值到UDR中即可：

如：#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:12

void uart0_rx_isr(void)

{ //uart has received a character in UDR

Data = UDR;//從電腦接收的數據附值給變量Data

UDR = Send_data;//將要發(fā)送的數據放到緩存區(qū)Send_data與Data可以相同

}

注：Send_data,Data必須是全局變量才能從函數中返回得到的值。

二 外部中斷

首先回顧一下中斷的含義。所謂中斷，是指當計算機執(zhí)行正常程序時，系統(tǒng)中出現(xiàn)某些急需處理的異常情況和特殊請求，CPU暫時中止現(xiàn)行程序，轉去對隨機發(fā)生的更緊迫事件進行處理，處理完成后返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。前面講的定時器中斷和串口中斷是中斷的兩種，現(xiàn)在介紹外部中斷。

Atmega 16有三個外部中斷源，通過引腳INT0、INT1與INT2觸發(fā)。中斷可以由下降沿、上升沿，或者是低電平觸發(fā)(INT2為邊沿觸發(fā)中斷)。當外部中斷使能并且配置為電平觸發(fā)( INT0/INT1)，只要引腳電平為低，中斷就會產生。

跟其他中斷使用一樣，使用外部中斷也要使能該中斷。

通用中斷控制寄存器－GICR

&8226; Bit 7 – INT1:使能外部中斷請求1

當INT1為1’，而且狀態(tài)寄存器SREG的I標志置位，相應的外部引腳中斷就使能了。MCU通用控制寄存器– MCUCR的中斷敏感電平控制1位1/0 (ISC11與ISC10)決定中斷是由上升沿、下降沿，還是INT1電平觸發(fā)的。只要使能，即使INT1引腳被配置為輸出，只要引腳電平發(fā)生了相應的變化，中斷可將產生。

&8226; Bit 6 – INT0:使能外部中斷請求0

&8226; Bit 5 – INT2:使能外部中斷請求2

功能與使能外部中斷請求1相同

MCU控制寄存器－MCUCRMCU控制寄存器包含中斷觸發(fā)控制位與通用MCU功能

&8226; Bit 3, 2 – ISC11, ISC10:中斷1觸發(fā)方式控制

外部中斷1由引腳INT1激發(fā)，如果SREG寄存器的I標志位和相應的中斷屏蔽位置位的話。觸發(fā)方式如Table 34所示。在檢測邊沿前MCU首先采樣INT1引腳上的電平。如果選擇了邊沿觸發(fā)方式或電平變化觸發(fā)方式，那么持續(xù)時間大于一個時鐘周期的脈沖將觸發(fā)中斷，過短的脈沖則不能保證觸發(fā)中斷。如果選擇低電平觸發(fā)方式，那么低電平必須保持到當前指令執(zhí)行完成。

&8226; Bit 1, 0 – ISC01, ISC00:中斷0觸發(fā)方式控制

功能與中斷1觸發(fā)方式控制相同

MCU控制與狀態(tài)寄存器－MCUCSR

&8226; Bit 6 – ISC2:中斷2觸發(fā)方式控制

異步外中斷2由外部引腳INT2激活，如果SREG寄存器的I標志和GICR寄存器相應的中斷屏蔽位置位的話。若ISC2寫0，INT2的下降沿激活中斷。 若ISC2寫1，INT2的上升沿激活中斷。INT2的邊沿觸發(fā)方式是異步的。只要INT2引腳上產生寬度大于Table 36所示數據的脈沖就會引發(fā)中斷。若選擇了低電平中斷，低電平必須保持到當前指令完成，然后才會產生中斷。而且只要將引腳拉低，就會引發(fā)中斷請求。改變ISC2時有可能發(fā)生中斷。因此建議首先在寄存器GICR里清除相應的中斷使能位INT2，然后再改變ISC2。最后，不要忘記在重新使能中斷之前通過對GIFR寄存器的相應中斷標志位INTF2寫1’使其清零。

通用中斷標志寄存器－GIFR

&8226; Bit 7 – INTF1:外部中斷標志1

INT1引腳電平發(fā)生跳變時觸發(fā)中斷請求，并置位相應的中斷標志INTF1。如果SREG的位I以及GICR寄存器相應的中斷使能位INT1為”1”，MCU即跳轉到相應的中斷向量。進入中斷服務程序之后該標志自動清零。此外，標志位也可以通過寫入”1”來清零。

&8226; Bit 6 – INTF0:外部中斷標志0

&8226; Bit 5 – INTF2:外部中斷標志2

功能與外部中斷標志1相同

外部中斷初始化：

使用中斷IT0、IT1、IT2（具體根據實際情況選定）—— 選擇個中斷觸發(fā)方式

（本例IT0低電平、IT1下降沿、IT2上升沿）

//ICC-AVR application builder : 2007-5-11上午10:35:17

// Target : M16

// Crystal: 11.059Mhz

#include

#include

省略端口初始化

#pragma interrupt_handler int0_isr:2

void int0_isr(void)//中斷0

{

//external interupt on INT0

}

#pragma interrupt_handler int1_isr:3

void int1_isr(void)//中斷1

{

//external interupt on INT1

}

#pragma interrupt_handler int2_isr:19

void int2_isr(void)中斷2

{

//external interupt on INT2

}

//call this routine to initialise all peripherals

void init_devices(void)

{

//stop errant interrupts until set up

CLI(); //disable all interrupts

port_init();

MCUCR = 0x08;//INT0、INT1觸發(fā)方式

MCUCSR = 0x40;//INT2觸發(fā)方式（這句要人工輸入）

GICR= 0xE0;

TIMSK = 0x00; //timer interrupt sources

SEI(); //re-enable interrupts

//all peripherals are now initialised

}

簡單實例參考程序

為了進一步理解串口和外部中斷的使用，下面給出一簡單實例。程序功能包含了串口和外部中斷，注意程序main函數while循環(huán)體中為空，說明單片機上電以后什么也不干，外部中斷INT0，INT1，INT2分別為低電平，下降沿，上升沿觸發(fā)。INT0觸發(fā)后PORTA0為高，INT1觸發(fā)后PORTA1為高，INT2觸發(fā)后PORTA2為高。串口接受中斷為邊收邊發(fā)——從電腦發(fā)送一數據給單片機后，單片機馬上又把該數據發(fā)送給電腦。請仔細體會，然后做后面的練習題。

//ICC-AVR application builder : 2007-5-11 ÏÂÎç 09:56:04
// Target : M16
// Crystal: 11.059Mhz

#include
#include

unsignedintData="0";
voidport_init(void)
{
PORTA = 0x00;
DDRA= 0xFF;
PORTB = 0xFF;
DDRB= 0x00;
PORTC = 0xFF;//m103 output only
DDRC= 0x00;
PORTD = 0xFF;
DDRD= 0x00;
}

//UART0 initialisation
// desired baud rate: 9600
// actual: baud rate:9600 (0.0%)
// char size: 8 bit
// parity: Disabled
voiduart0_init(void)
{
UCSRB = 0x00;//disable while setting baud rate
UCSRA = 0x00;
UCSRC = 0x86;
UBRRL = 0x47;//set baud rate lo
UBRRH = 0x00;//set baud rate hi
UCSRB = 0x98;
}

#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:12
voiduart0_rx_isr(void)//接收模塊
{
Data = UDR;//從電腦接受數據
//uart has received a character in UDR
UDR = Data;//將該數據發(fā)送給電腦，這樣做的目的是為了調試

具體使用根據實際要求編寫， 如果不要發(fā)送給電腦就刪除此句
}

#pragma interrupt_handler int0_isr:2
voidint0_isr(void)
{
PORTA = 0x01;//中斷0的函數體，在此寫入INT0觸發(fā)后要做的事
//external interupt on INT0
}

#pragma interrupt_handler int1_isr:3
voidint1_isr(void)
{
PORTA = 0x02;//中斷1的函數體，在此寫入INT1觸發(fā)后要做的事
//external interupt on INT1
}

#pragma interrupt_handler int2_isr:19
voidint2_isr(void)
{
PORTA = 0x04;//中斷2的函數體，在此寫入INT2觸發(fā)后要做的事
//external interupt on INT2
}

//call this routine to initialise all peripherals
voidinit_devices(void)
{
//stop errant interrupts until set up
CLI();//disable all interrupts
port_init();
uart0_init();

MCUCR = 0x08;
MCUCSR = 0x40;//INT2（這句要人工輸入）

GICR= 0xE0;
TIMSK = 0x00;//timer interrupt sources
SEI();//re-enable interrupts
//all peripherals are now initialised
}

voidUSART_Transmit(unsignedchardata )//發(fā)送模塊，該程序沒用到
{
/* Wait for empty transmit buffer */
while( !( UCSRA & (1</* Put data into buffer, sends the data */
UDR = data;
}

voidmain()
{
init_devices();
while(1)
{
;

}
}