基于AVR单片机的控制系统设计
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本文介绍的AVR单片机由美国ATMEL公司生产，采用RISC指令集，内置RAM及可以擦写数千次的FLASH，采用哈佛结构，速度较快。ATmega128为此系列中功能最强大的一款，用于设计控制系统能适应现时复杂系统的要求。 AVR单片机介绍 ATMEL公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。AVR单片机由ATMEL公司开发，是过去12年里第一个新发布的8位RISCMCU，执行大多数指令只需一个时钟周期速度快(8MHzAVR≈200MHzC51)。其32个通用寄存器直接与ALU相连，消除了运算瓶颈;同时由于C编译专家的参与，C代码效率极高;用户在享受C语言带来的极大便利的同时无需担心消耗更多的资源。芯片内嵌可串行下载或自我编程的FLASH和E2PROM。具有以下功能：电压检测BOD复位源寄存器看门狗、PWM、10位A/D、模拟比较器、UART、I2C、SPI、实时时钟等。具有Idle/Power-Save和Power-Down等低功耗运行模式，可电平中断唤醒PowerDown。同时具有完整产品线，FLASH从1KB到128KB，E2PROM从64B到4KB，SRAM从128B到4KB，引脚数从8到64。 其中Atmeg128为AVR系列中的代表性产品之一。相比其它产品，该芯片有以下特性： (1)先进的RISC结构：133条功能强大的指令，大部分在单时钟周期内完成，32×8个通用工作寄存器 外设控制寄存器，最高可工作在16MHz下，性能可达16MIPS;片内带有执行时间为2个时钟周期的硬件乘法器。 (2)程序和数据存储区：128kB在线可编程Flash存储器，可反复擦写1000次;可通过独立的加密位选择引导程序代码段，可通过片内引导程序实现在线系统编程，写操作时真正可读;4kB的EEPROM存储区，可反复擦写100，000次。4kB的片内SRAM存储区，可外部扩展为64kB。 系统硬件设计框架 硬件系统主要由CPU(AVR单片机)、人机操作和显示接口(液晶显示、键盘、指示灯和蜂鸣器)、通信接口组成。系统框图如图1所示
图1 系统硬件设计框图 CPU为核心处理器件，通过I/O接口方式或A/D总线方式与液晶、显示键盘、指示灯和蜂鸣器交互，作者实现了两个版本，分别采用I/O方式和A/D总线方式。通信接口主要用到了UART接口和扩展的网络接口。其中UART提供了RS-232和RS-485接口，RS-232提供全双工单对单通信同时，而RS-485以主/从方式与系统的多个部分通信，可用于多通道的输入输出设备。该芯片本身并不带网络接口，通过扩展一个W3100A连接RT-L8201(L)芯片，实现TCP/IP协议栈，从而使设备可以接入LAN，实现在LAN内的远程控制管理和监控。 系统软件结构 系统软件体系分为几个部分： (1)系统的循环检测部分，用于检测各通道的系统设备工作是否正常，出现异常时则通过三色指示灯报警(绿色代表正常，红色代表异常，黄色为中间状态)。 (2)系统的设置部分，接受用户按键，用户可以在GUI上设置希望设置的参数。 (3)网络接口部分，此时单片机系统不参与设置，主要功能将网络部分获得的数据导至各通道。软件系统的核心部分在于菜单结构的设计。 本系统采用一种基于节点编号的三叉树状菜单的设计。将整个菜单看作一个菜单树，每个界面对应于树中的一个节点，父节点为当前菜单的上一级菜单;右节点为当前菜单的“兄弟”菜单，亦即上级菜单的其余子菜单。 我们采用对节点编号的方式将整个菜单树串起来，通过识别节点编号(ID)就能知道该节点处于哪一级菜单，同时也便于我们将菜单数初始化。编号方式：每级子菜单的编号为上级父菜单ID乘以10再加上该级子菜单在上级菜单中对应的子项号(1，2，3.)，我们将根节点ID编号为1，则根节点菜单的子菜单对应的ID分别为11，12，13。ID为11的节点的下级菜单ID为：111，112，113。一个树型结构菜单的结构和ID编号的实例如图2所示。 Typedef structmenu{ long ID; / /当前菜单ID void ( * disp laymenu) ( long i, unsigned char j) ; / /当前菜单对应处理函数 char cur; / /当前菜单子项 char total; / /子菜单总数 structmenu * up, * down, * right; / /毗邻子菜单 }MENU;
图2 一个菜单树的实例 对于用户按键操作切换不同的菜单时，我们只需修改一个指向对应菜单节点的全局菜单节点指针即可。当用户按下“ESC”键时，菜单指针指向当前节点的父节点，按下“Enter”键时，则指针指向对应节点的子节点。 用于AVR单片机的RAM空间较小，只有4KB，我们需设计一种合理而简洁的数据结构，我们将菜单的数据结构定义为(C语言实现)。
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