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ATmega103單片機(jī)是ATMEL公司推出的精簡指令集(RISC)AVR(ADVANCE RISC)系列單片機(jī)產(chǎn)品,這是一種增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu),采用了CMOS技術(shù)的8位微控制器該結(jié)構(gòu)能有效支持高級語言以及密集度極大的匯編器代碼程序｡ 跳頻系統(tǒng)(FH)是指載波頻率按某種跳頻圖案(跳頻序列)在很寬的頻帶范圍內(nèi)跳變的通信系統(tǒng),由于該系統(tǒng)具有抗干擾､抗多徑和抗衰落性等能力,故在軍用和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用｡本系統(tǒng)方案中,信號處理模塊主要完成跳頻模式(FH)下有關(guān)數(shù)字信號的處理,包括話音編解碼､話音組織及與同步有關(guān)的操作等,這些技術(shù)目前是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一｡ 本文介紹ATmega103單片機(jī)的特點(diǎn)及其在FH系統(tǒng)數(shù)字信號處理模塊中的使用方法,同時詳細(xì)介紹SPI(Serial Peripheral Interface)的特點(diǎn)和應(yīng)用｡ 1 ATmega103單片機(jī)概述 ATmega103是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8-bit低功耗CMOS微處理器,它吸取了PIC系列及8051系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn),并作了重大改進(jìn),其特點(diǎn)如下: ●供電電壓為2.7~6V,主頻最高可達(dá)12MHz; ●具有120條指令,大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期; ●帶有128k字節(jié)片內(nèi)可下載的Flash存儲器(SPI串行下載1000次壽命)和4k字節(jié)的片內(nèi)RAM以及4k字節(jié)的片內(nèi)EEPROM; ●有32條可編程I/O線､8條輸入線和8條輸出線; ●具有32個8位通用寄存器; ●內(nèi)含2個8位定時器和1個16位定時器; ●帶有可編程串行UART+SPI接口; ●具有內(nèi)部中斷源和8個外部中斷源; ●帶有8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器､片內(nèi)模擬比較器以及看門狗等電路; ●可在線編程｡ ATmega103因其上述特點(diǎn)使其成為一種適合于多功能､快速,且具有高度靈活性和高性價比的微控制器｡ 2 跳頻信號處理對單片機(jī)的要求 跳頻信號處理模塊是FH電臺的關(guān)鍵部分之一,主要用于完成電臺的同步及有關(guān)數(shù)據(jù)處理組織等任務(wù)｡單片機(jī)是該模塊的核心,模塊的許多功能都是在單片機(jī)的直接或間接參與下完成的｡綜合考慮,單片機(jī)在該模塊中的作用大致如下: (1)完成大量數(shù)據(jù)交換,因?yàn)殡娕_在工作時需要接收或傳送大量其它單片機(jī)以及模塊內(nèi)部的有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù); (2)完成快速實(shí)時處理功能,因?yàn)槟K對許多信息要求立即處理,例如TOD(Time of Day)信息､話音數(shù)據(jù)､實(shí)時工作頻率計(jì)算等｡ (3)用于數(shù)據(jù)交換,包括單片機(jī)接口､TOD､同步信息､控制狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)接口等｡ (4)完成大量運(yùn)算｡一般電臺在FH工作方式時,每跳都需要計(jì)算TOD､工作頻率､接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的重新組織｡ (5)通過足夠的I/O口來提供多種控制狀態(tài)線,以供電臺及模塊內(nèi)部使用｡ (6)通過片內(nèi)大量數(shù)據(jù)來存儲區(qū)存取運(yùn)算過程中產(chǎn)生的大量中間數(shù)據(jù)｡ 3 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)電臺FH信號處理模塊對單片機(jī)的要求,如果選用89C5X系列單片機(jī),不但在實(shí)現(xiàn)功能上比較困難(如運(yùn)算速度､I/O口數(shù)量等),而且所需的外圍擴(kuò)展電路也必須增加(如RAM,通信口等)｡而選用ATmega103單片機(jī)則能較好地滿足設(shè)計(jì)要求,因此,本設(shè)計(jì)選用ATmega103單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)信號處理模塊的功能｡圖1所示是其硬件原理圖｡ 此外,在實(shí)際使用中,還需注意軟件設(shè)計(jì)｡為了便于調(diào)試､維護(hù)及功能擴(kuò)展,該系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方案;而且考慮到軟件的可靠性,還增加了容錯和冗余設(shè)計(jì);同時,針對數(shù)據(jù)接口多的特點(diǎn),程序中還設(shè)計(jì)了簡明､通用性的接口通信協(xié)議｡ 4 Atmega103的SPI在FH中的應(yīng)用 由上述描述可知,SPI在設(shè)計(jì)中占有重要的地位,模塊內(nèi)部的主要控制和數(shù)據(jù)交換都由其完成,下面詳細(xì)介紹SPI在模塊中的設(shè)計(jì)方法｡ 4.1 SPI的工作原理 ATmega103和外設(shè)之間可通過SPI進(jìn)行高速同步數(shù)據(jù)傳輸｡主從CPU的SPI連接見圖2所示｡其中,SCK為主機(jī)的時鐘輸出和從機(jī)的時鐘輸入｡把數(shù)據(jù)寫入主機(jī)SPI數(shù)據(jù)寄存器的操作將啟動SPI時鐘產(chǎn)生器,此時,數(shù)據(jù)將從主機(jī)的MOSI移出,并從從機(jī)的MOSI移入,移完一個字節(jié)后,SPI時鐘停止,并設(shè)置發(fā)送結(jié)束標(biāo)志｡此時如果SPCR的SPIE(SPI中斷使能)置位,則引發(fā)中斷｡選擇某器件為從機(jī)時,可將從機(jī)選擇輸入端SS拉低｡主從機(jī)的移位寄存器可以看成是一個分布式的16 位循環(huán)移位寄存器｡當(dāng)數(shù)據(jù)從主機(jī)移向從機(jī)的同時,數(shù)據(jù)也將從從機(jī)移向主機(jī),從而在移位過程中實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的數(shù)據(jù)交換｡ SPI的主要寄存器包括控制寄存器SPCR､狀態(tài)寄存器SPSR､數(shù)據(jù)寄存器SPDR｡其中SPCR用于設(shè)置SPI的中斷使能､數(shù)據(jù)傳輸順序､主從機(jī)選擇､時鐘相位和時鐘速率等;SPSR為SPI中斷標(biāo)志,用于標(biāo)志寫沖突｡SPDR寄存器用于在寄存器文件和SPI移位寄存器之間傳遞數(shù)據(jù)｡寫該寄存器時,將先對數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行初始化,讀該寄存器時,讀到的將是移位寄存器接收緩沖區(qū)的值｡ 4.2 SPI的程序設(shè)計(jì) 在該FH信號處理模塊中,單片機(jī)通過SPI與FPGA交換數(shù)據(jù)｡FPGA選用Xinlix公司的XCV100｡下面具體介紹幾個主要的子程序: (1)SPI的初始化 程序在復(fù)位時,通常都要對SPI口進(jìn)行初始化｡單片機(jī)設(shè)置若為主機(jī)｡SPI的數(shù)據(jù)順序?yàn)長SB?低位 在前｡SCK時鐘空閑時為低電平,在SCK的下降沿采樣數(shù)據(jù);時鐘為系統(tǒng)時鐘的1/128｡那么,具體的初始化程序如下: reset:ldi rx,$0 out spsr,rx;清SPI中斷標(biāo)志,寫沖突標(biāo)志 ldi rx,$0f7; out spcr, rx;設(shè)置SPI的傳輸參數(shù) (2) SPI的發(fā)送程序 單片機(jī)每次需要把10byte的相關(guān)碼送給FPGA,因此應(yīng)將SRAM區(qū)的$09c2-$09df段設(shè)定為SPI的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),然后由SPI從該緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)直到發(fā)送完畢｡SPI的發(fā)送函數(shù)如下: spi_send:ldi xh,$9 ldi xl,$0c2; sts spififoo,xl ;將SPI緩沖區(qū)的輸出地址設(shè)為$c2 ldi ry, 10 ;將10byte相關(guān)碼存入$9c2開始的地址 s67_2: ld rx, y+ ;y為相關(guān)碼存放的地址 st x+, rx s67_3: dec ry brne s67_2 sts spififoi,xl ;將SPI緩沖區(qū)的輸入地址存入spififoi ldi rx,$0aa ;將發(fā)相關(guān)碼的標(biāo)志$aa通過SPI out spdr,rx ;送給FPGA sei ;開中斷 ret (3) SPI的中斷程序 每次SPI發(fā)送完一字節(jié),都要產(chǎn)生一個中斷,以使程序跳轉(zhuǎn)到SPI的中斷程序｡由于SPI主從機(jī)的移位寄存器可以看成是一個分布式的16 位循環(huán)移位寄存器,而且在當(dāng)數(shù)據(jù)從主機(jī)移向從機(jī)的同時,數(shù)據(jù)也從從機(jī)移向主機(jī),故在中斷程序中,應(yīng)首先判斷SPDR中的數(shù)據(jù)是否是需要接收的數(shù)據(jù)(相關(guān)值),然后判斷SPI緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)(相關(guān)碼)是否發(fā)完,如沒有,則繼續(xù)發(fā)送,直到發(fā)完為止｡具體程序如下: spi_int:push xl ;保存寄存器的值 push xh in xl,sreg push xl lds xl, rcormark ;判斷是否為有效數(shù)據(jù),“0”為有效 brne spi_2 不等于0,跳 in xl, spdr sts incorbuf, xl ;將相關(guān)值存入incorbuf spi_2: lds xl, spififoo ;比較緩沖區(qū)的輸入,輸出指針 lds sprx, spififoi cp xl. sprx ; breq spiend ;相等,則數(shù)據(jù)發(fā)完,跳 ldi xh,$9 ;不等,則取下一個字節(jié)送入spdr ld sprx, x+ out spdr, sprx cpi xl, $0e0 ;調(diào)整spififoo指針 brlo spi_0 ;未超過緩沖區(qū)范圍,跳 ldi xl, $0c2 ;超過,將緩沖區(qū)開始地 址給spififoo spi_0: sts spififoo,xl; spiend:pop xl out sreg,xl pop xh pop xl reti 5 結(jié)束語 本設(shè)計(jì)方案已通過軟硬件調(diào)試,結(jié)果表明:AT-mega103單片機(jī)較89C5X系列單片機(jī)在資源和功能上都有很大的提高,不但控制更加簡單､靈活,而且能夠節(jié)省不少外圍電路,因此具有成本和體積上的優(yōu)勢,可完全滿足跳頻信號處理模塊的功能要求｡ |
