摘要：主要利用AVR單片機中的TWI模塊，構建了一個基于TWI總線的模塊化檢測系統。通過利用TWI總線相對于I2C總線的強大靈活性，增加了容錯處理程序，提高了總線的穩定性和可靠性，使得整個檢測系統的抗干擾性更強。在從機TWI程序設計上使用TWI中斷，消除了等待TWINT置住所浪費的時間，提高了程序的執行效率。

引言
    隨著設備信息化和智能化程度的不斷提高，設備間的通信變得愈加重要。目前，設備間的通信，尤其是多個設備間的通信，大多數都是依靠各種不同標準的總線實現的。通過總線實現設備間的通信減少了物理連線，簡化了硬件設計工作，同時也便于擴展。因此，總線，尤其是各種工業總線，得到了廣泛的應用。在智能化嵌入式系統設計中，有時由于各種外圍設備較多，也會應用總線解決通信的問題。當今最為常見的是由Philips公司開發的I2C總線，它用于連接微控制器及其外圍設備，增加了系統的安全性，方便了管理。而Atmel公司的TWI接口是I2C總線基礎上的繼承和發展，它定義了自己的功能模塊和寄存器，其寄存器各位功能的定義與I2C總線并不相同。另外TWI總線引入了狀態寄存器，使得TWI總線在操作和使用上比I2C總線更加靈活。本文主要利用TWI總線強大的靈活性，設計了基于該總線的模塊化檢測系統，巧妙利用TWI狀態寄存器，大大提高了TWI總線在該檢測系統中的穩定性和可靠性。

1 TWI模塊簡介
    TWI通信接口簡單靈活，功能強大，非常適合應用于微控制器系統。它支持主機和從機操作；器件可以工作于發送器模式或接收器模式；7位地址空間允許有128個從機；支持多主機仲裁；高達400 kHz的數據傳輸率；輸出驅動器斜率受控；噪聲抑制器可以抑制總線尖峰；從機地址以及公共地址完全可編程；睡眠時地址匹配可以喚醒AVR。
    如圖1所示，TWI模塊包括控制單元、比特率發生器單元、地址匹配單元、總線接口單元和SCL和SDA引腳，位于粗線之中的寄存器都可以通過AVR數據總線進行訪問。其中TWAR寄存器的高7位為從機地址。工作于從機模式時，TWI總線將根據這個地址進行響應。

    TWI的兩根線在工作時必須有上拉電阻，上拉電阻的實現既可以通過內部的上拉電阻使能，也可以通過在硬件設計時增加上拉電阻。在實際應用時最好在外部硬件上增加上拉電阻，以防止程序遺漏使能上拉電阻。
    TWI可以工作于4種不同的模式，即主機發送模式(MT)、主機接收模式(MR)、從機發送模式(ST)和從機接收器模式(SR)。當TWI上出現多個主機時，就會發生多主機仲裁。TWI多主機仲裁相對I2C總線的多主機仲裁，其特點就是除了依靠自身硬件的監測之外，還可以通過軟件讀取TWSR狀態寄存器來判斷自己在總線中的精確狀態，以便為下一步動作提供更精確的診斷依據。在編寫TWI總線驅動程序時，需要注意，只有當時鐘信號為高電平時，信號線SDA上的電平信息才有意義。

2 模塊化檢測系統設計
    模塊化檢測系統主要功能是檢測各設備所采集到的相關信息，以便主機通過處理這些信息，給出相應的控制策略。如圖2所示，主機使用的是ATmega128，從機使用的是ATmegal6。這種模塊化檢測系統的設計不僅簡化了硬件設計，也在一定程度上簡化了軟件的設計，使得各個檢測功能的程序在不同的設備上同時運行。

3 TWI總線驅動程序
3．1 主機驅動程序
    在程序設計時，為了實現準確判斷TWI工作狀態，需要在一定情況下，尤其是在總線出現傳輸錯誤時，讀取TWSR狀態寄存器。同時為了增加程序的可讀性，將各種模式所需的TWI總線狀態進行宏定義。
    圖3是主機發送(MT)模式程序的流程。圖4為主機接收(MR)模式程序流程。

    為了保證TWI總線的穩定運行，只有發送模式(MT)和接收模式(MR)程序是不夠的，還必須有一定的容錯處理程序，以防止TWI總線在受到外界干擾時出現故障。考慮本文所設計的系統是主機與從機不會實時發生變化的總線網絡系統，所以對于主機而言還要有容錯處理程序，主要是MT、MR以及MT和MR之間切換時的容錯處理程序。其具體代碼如下：


    容錯處理主要是通過讀取當前TWI總線的狀態，針對不同的狀態做出不同的處理。這個程序中對TWI總線處于錯誤狀態時的處理最為重要，可以防止TWI總線進入死鎖。容錯處理程序同時也包含了MT和MR模式，在使用TWI總線時主機只需要調用該程序就可實現MT或MR模式。
3．2 從機驅動程序
    由于對于主機而言，等待TWINT置位在任何情況下都能在很短的時間內完成，所以對于MT和MR模式的程序都是通過軟件查詢TWINT位實現。但是對于從機而言，由于首先要接收主機發送的從機地址，并且主機并不是總是在訪問同一個從機，所以從機在接收主機發送的地址時，如使用軟件查詢方法，勢必要等待很長時間，這樣就浪費了大量的時間。因此在從機ST和SR模式程序的設計時，需要使用TWI中斷，這樣在等待TWINT置位期間可以執行其他程序，有效地提高了程序的運行效率。圖5為從機ST和SR模式程序流程，具體的ST和SR處理程序可以參考相關的設計手冊，這里給出的只是ST和SR切換以及容錯處理程序。當TWINT置位時，進入TWI中斷服務程序。

    在從機TWI總線程序設計時，在等待TWINT置位期間TWI總線可能因為外界干擾出現一些故障，所以容錯處理程序不僅在TWI中斷服務程序得到調用，在等待TWINT置位期間也要調用該程序。從機的容錯處理程序代碼如下：


4 系統測試
    在模塊化檢測系統測試時，主要使用了以下從機檢測模塊：3個超聲波模塊、電子羅盤、紅外距離檢測模塊以及溫度檢測模塊。在系統測試時針對TWI總線，主要測試了總線的傳輸速度、實時響應、出錯率、抗干擾能力。測試時為便于觀察各個觀測量的狀態，使用了LCD顯示。測試過程中總線的比特率設定為100 kbps，通過觀測LCD顯示的變量，TWI總線實時響應速度比較快。在外加電磁干擾的條件下，總線只有在極少數開機時出現錯誤，主要原因是開機時出現的浪涌電流。

結語
    本文設計的模塊化檢測系統，利用TWI總線作為各個器件通信的媒介，并以此為基礎構建總線式拓撲網絡，簡化了硬件和軟件設計，縮短了系統的開發周期。在TWI總線驅動程序設計上，增加容錯處理程序，使總線運行更加穩定和可靠，提高了系統的抗干擾能力。同時在從機TWI總線驅動程序設計時使用TWI中斷，合理安排各個功能程序的執行時間，有效地提高了程序的運行效率。