TWI總線模塊化設(shè)計(jì)在智能機(jī)器人中的應(yīng)用

顧星辰，胡仁杰，馬智勇

（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096）

引 言

模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)由主控制模塊和擴(kuò)展模塊構(gòu)成，主要用于檢測機(jī)器人周圍環(huán)境信息和機(jī)器人自身運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)時(shí)獲取各種傳感器信息，并對機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行控制。由于要采集的數(shù)據(jù)信息很多，本系統(tǒng)應(yīng)用了TWI總線構(gòu)建模塊化架構(gòu)，模塊均采用AVR單片機(jī)為主控芯片：1片 ATmega128（主控）、10片 ATmega16、2片 AT－mega64和3片ATmega8。主控制器要實(shí)時(shí)地匯總并分析各單片機(jī)的信息才能對機(jī)器人下一步動作作出決策，因此，各單片機(jī)之間的通信顯得尤為重要。另外，為了方便對電子羅盤進(jìn)行標(biāo)定，需要由主控制器向電子羅盤模塊發(fā)送相應(yīng)指令。也就是說，主控制模塊與擴(kuò)展模塊之間需要實(shí)現(xiàn)雙向多字節(jié)通信，這是一個(gè)通信難點(diǎn)。本系統(tǒng)全部模塊均采用TWI通信接口，成功建立了一個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間的雙向多字節(jié)通信，有效提高了程序的運(yùn)行效率，使得智能機(jī)器人整體架構(gòu)靈活，調(diào)試方便，并且擴(kuò)展性強(qiáng)。

1 TWI總線簡介

TWI總線是對I2C總線的繼承與發(fā)展，具有I2C總線的特點(diǎn)，即接線簡單。外部硬件只需兩個(gè)上拉電阻，使用兩根雙向傳輸線（一是時(shí)鐘線SCL，一是數(shù)據(jù)線SDA）就可以將128個(gè)不同的設(shè)備互連到一起。[1]TWI對I2C總線的發(fā)展表現(xiàn)在：它定義了自己的功能模塊和寄存器，寄存器各位功能的定義與I2C總線并不相同，且TWI總線引入了狀態(tài)寄存器，從而在操作和使用上比I2C總線更靈活。[2]兩線接口TWI很適合于典型的處理器應(yīng)用，以及多機(jī)間實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用。[3]

TWI通信接口簡單，但是強(qiáng)大而靈活。支持主機(jī)和從機(jī)操作，器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式。數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)400kHz，且支持多主機(jī)仲裁。所有連接到總線上的設(shè)備都有自己的地址，TWI協(xié)議解決了總線仲裁的問題，[4]7位地址信息允許有128個(gè)從機(jī)。基于以上優(yōu)點(diǎn)，TWI通信接口非常適合應(yīng)用于微控制器（俗稱單片機(jī)）系統(tǒng)。[5]

2 智能機(jī)器人系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)

本機(jī)器人系統(tǒng)以ATmega128單片機(jī)為主控制模塊，擴(kuò)展模塊包括2個(gè)紅外傳感器模塊、6個(gè)超聲波模塊、2個(gè)視覺處理模塊、1個(gè)溫度傳感器模塊、2個(gè)里程計(jì)模塊、1個(gè)電子羅盤模塊，以及1個(gè)陀螺儀模塊。擴(kuò)展模塊負(fù)責(zé)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，由主控制器進(jìn)行處理分析。然后，及時(shí)地對機(jī)器人下一步動作進(jìn)行決策與指示。本系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，超聲波模塊、視覺處理模塊、電子羅盤模塊和陀螺儀模塊均采用ATmega16單片機(jī)，里程計(jì)模塊采用ATmega64單片機(jī)，紅外傳感器模塊和溫度傳感器模塊采用ATmega8單片機(jī)。主控制模塊與各擴(kuò)展模塊均采用TWI接口。

圖1 智能機(jī)器人系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)圖

3 模塊化智能機(jī)器人系統(tǒng)的TWI總線結(jié)構(gòu)

TWI可以工作于4種不同的模式：主機(jī)發(fā)送器（MT）、主機(jī)接收器（MR）、從機(jī)發(fā)送器（ST）及從機(jī)接收器（SR）。同一應(yīng)用程序可以使用幾種模式。[6]本機(jī)器人系統(tǒng)中，ATmega128為主機(jī)，其他單片機(jī)均為從機(jī)設(shè)備。目的是實(shí)現(xiàn)主機(jī)與多片從機(jī)之間的雙向通信，即主機(jī)可以發(fā)送多字節(jié)數(shù)據(jù)給從機(jī)設(shè)備，從機(jī)也可以發(fā)送多字節(jié)數(shù)據(jù)給主機(jī)。TWI的兩根線在工作時(shí)必須有上拉電阻，既可以通過相關(guān)程序使能內(nèi)部的上拉電阻，也可以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)增加上拉電阻。實(shí)際應(yīng)用中，最好軟硬件的方法同時(shí)使用，雙重保障。圖2為TWI總線的硬件結(jié)構(gòu)接線圖。

圖2 TWI總線的硬件結(jié)構(gòu)接線圖

4 TWI通信的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，主機(jī)ATmega128采用輪詢TWINT位的方式。主機(jī)主程序中的系統(tǒng)初始化主要包括定時(shí)器初始化和TWI總線初始化。主機(jī)主程序中寫函數(shù)TWI＿write（）的詳細(xì)流程如圖3所示，讀函數(shù)TWI＿read（）的詳細(xì)流程如圖4所示。一次傳輸過程包括一個(gè)START信號、一個(gè)SLA＋R／W信號、一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)包、一個(gè)STOP信號。每發(fā)送一個(gè)信號或一個(gè)數(shù)據(jù)包，均要檢驗(yàn)狀態(tài)寄存器TWSR中的狀態(tài)碼，如果狀態(tài)碼正確，才發(fā)下一個(gè)信號，若不正確則轉(zhuǎn)出錯(cuò)處理。通過軟件編程技巧，可以在一次TWI通信中，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，在主機(jī)主程序流程圖中可以看到，在一個(gè)循環(huán)內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 主機(jī)發(fā)送函數(shù)流程圖

圖4 主機(jī)接收函數(shù)流程圖

4.2 從機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

對于所有從機(jī)，均采用中斷方式。采用中斷方式時(shí)，當(dāng)TWINT位置位（硬件置位），則程序會自動跳到中斷向量，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在等待TWINT置位期間，從機(jī)可以執(zhí)行數(shù)據(jù)采集工作或執(zhí)行其他程序，從而有效地提高了程序的運(yùn)行效率。中斷服務(wù)程序中，只需檢驗(yàn)TWSR的狀態(tài)碼，讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)寄存器TWDR，這樣來完成與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信。從機(jī)TWI中斷服務(wù)程序流程圖如圖5所示。

對于不同的從機(jī)，硬件方面需要注意的是SCL、SDA兩根線位于單片機(jī)的I／O端口不同，例如ATmega16的SCL、SDA 分別位于 PC0、PC1[7]；ATmega8的SCL、SDA則分別位于PC5、PC4[8]。軟件方面，需要給不同從機(jī)的TWAR賦予各自的從機(jī)地址。

圖5 從機(jī)TWI中斷服務(wù)程序流程圖

4.3 TWI總線的部分程序

為了增強(qiáng)程序的可讀性，將各種模式所需的TWI總線狀態(tài)進(jìn)行宏定義。對于主機(jī)，省略一些數(shù)據(jù)處理和其他功能程序，最簡化的主程序如下：

對于從機(jī)，重要的是TWI中斷服務(wù)程序，詳見以下代碼：

5 TWI通信的注意問題

由于TWI通信存在主機(jī)與從機(jī)模塊，在單獨(dú)對主機(jī)程序單步調(diào)試時(shí)，主機(jī)單步運(yùn)行，而從機(jī)處于全速運(yùn)行，主從機(jī)步調(diào)不一致，單步調(diào)試結(jié)果顯示TWINT位不置位或者TWSR狀態(tài)碼不正確，誤認(rèn)為程序有問題。實(shí)際上，程序在全速運(yùn)行時(shí)是可以實(shí)現(xiàn)通信的。

另外，根據(jù)功能要求，在一次TWI通信中，例如要求主機(jī)給從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)是1字節(jié)或2字節(jié)，此時(shí)，在從機(jī)中斷接收中，需增加相應(yīng)接收標(biāo)志位flag1、flag2，通過各自的標(biāo)志位分清接收的不同字節(jié)的數(shù)據(jù)，避免產(chǎn)生不必要的混淆與錯(cuò)誤。

編程中，要嚴(yán)格按照TWI說明手冊中的內(nèi)容，不同的TWSR狀態(tài)碼時(shí)，對TWDR執(zhí)行相應(yīng)的操作，對TWCR寫入相應(yīng)的數(shù)值。否則，有一點(diǎn)出入，都會造成TWI通信的失敗。

結(jié) 語

本智能機(jī)器人系統(tǒng)采用TWI總線構(gòu)建了模塊化架構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)。TWI通信方法是主機(jī)ATmega128器件程序采用查詢方式，其他多片從機(jī)器件程序則采用中斷方式。本文介紹了在一次TWI傳輸過程中，傳送多字節(jié)數(shù)據(jù)的編程方法，并且建立了主機(jī)與多從機(jī)之間的雙向多字節(jié)數(shù)據(jù)通信，可以將機(jī)器人各傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至主控制器進(jìn)行處理，有效地提高了程序的運(yùn)行效率。

[1] 郭祥軍.AVR單片機(jī)的TWI總線的原理及應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（8）：37－39.

[2] 劉千杰.AVR單片機(jī)中TWI的模塊化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（2）：39－41.

[3] 肖晶晶，李天劍，吳啟焱.基于TWI接口的AVR單片機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（4）.

[4] Atmel.ATmega128Datasheet，2011.

[5] 馬惠鋒，韓震宇.AVR單片機(jī)TWI通信接口在廣播機(jī)微控制器中的應(yīng)用[J].中國測試技術(shù)，2005（2）：98－100.

[6] 楚天鵬，鄭華耀.TWI接口多機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)[J].裝備制造技術(shù)，2008（6）：96－98.

[7] Atmel.ATmega16Datasheet，2010.

[8] Atmel.ATmega8Datasheet，2011.