AVR单片机TWI总线的原理及应用

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    摘要  在简要对比TWI总线与I2C总线的基础上，详细介绍TWI总线的内部模块、工作时序和工作模式，并给出一个编程实例加以说明．对TWI总线和传统的I2C总线的正确区分及使用具有现实的指导意义。
    关键词 两线串行总线TWI I2C
    AVR系列的单片机内部集成了TWI(Two-wire SerialInterface)总线。该总线具有I2C总线的特点，即接线简单，外部硬件只需两个上拉电阻，使用时钟线SCL和数据线SDA就可以将128个不同的设备互连到一起；而且支持主机和从机操作，器件可以工作于发送器模式或接收器模式，数据传输率高达400 kHz。正因为TWI总线具有这么多的优点，因此受到了使用者的青睐。
    由于该总线与传统的I2C总线极其相似。因此不少人误以为TWI总线就是I2C总线，其实这只是一种简单化的理解。TWI总线是对I2C总线的继承和发展。它定义了自已的功能模块和寄存器，寄存器各位功能的定义与I2C总线并不相同；而且TWI总线引入了状奁寄存器，使得TWI总线在操作和使用上比I2C总线更为灵活。在实际应用上，由于大部分单片机内部没有集成I2C总线，因此单片机的控制是通过模拟I2C总线的时序来完成其操作的。
    AVR系列的单片机内部集成了TWI总线，而且其用法也比I2C更为灵活。本文结合一个实例对TWI总线的内部模块、工作时序和工作模式进行了详细介绍，目的在于正确区分TWI总线和传统的I2C总线，对如何正确使用TWI总线编程也具有现实的指导意义。
1 TWI内部模块
    TWI内部由总线接口单元、比特率发生器、地址匹配单元和控制单元等几个子模块组成，如罔1所示。图中，SCL、SDA为MCU的TWI接口引脚。引脚的输出驱动器包含一个波形斜率限制器以满足TWI规范；引脚的输入部分包含尖峰抑制单元，以去除小于50ns的毛刺。总线接口单元包括数据与地址寄存器TWDR、START／STOP控制器和总线仲裁判定硬件电路。比特率发生器单元用来控制TWI工作于主机模式时时钟信号SCL的周期，具体由TWI状态寄存器TWSR的预分频系数以及比特率寄存器TWBR设定；当TWI工作于从机模式时，无需对比特率或预分频进行设定。地址匹配单元将检测从总线上接收到的地址是否与TWAR寄存器中的7位地址相匹配。控制单元监视TWI总线，根据TWI控制寄存器TWCR的设置作出相应的响应。



2 TWI的工作时序
   TWT接口是面向字节和基于中断的。所有的总线事件(例如接收到一个字节或发送一个START信号等)，都会产生一个TWI中断。由于TWI接口是基于中断的，因此TWI接口在字节发送和接收过程中，不需要应用程序干预。TWCR寄存器的TWI中断允许TWTE位和SREG寄存器的全局中断允许一起决定应用程序是否响应TWINT标志位产生的中断请求。如果TWIE被清零，则应用程序只能采用轮询TWINT标志位的方法来检测TWI总线状态；如果TWINT标志位被置位，则表示TWI接口完成了当前的操作，等待应用程序响应。在这种情况下，TWI状态寄存器TWSR包含了当前TWI总线的状态值。应用程序可读取TWCR的状态码，判别此时的状态码是否正确，并通过设置TWCR与TWDR寄存器来决定下一个TWI总线周期TWI接口应如何工作。典型的主机字节发送的工作时序如图2所示。



3 TWI的工作模式
    TWI可以工作于4种不同的模式，即主机发送模式(MT)、主机接收模式(MR)、从机发送模式(ST)和从机接收器模式(SR)。即使同一应用程序也可以使用几种模式。例如，TWI可用MT模式向TWI的EEPROM写入数据，用MR模式从EEPROM读取数据。如果系统中有其他主机存在，则它们可能给TWI发送数据，此时可以用SR模式。由应用程序决定采用何种模式。由于在实际使用过程中，多使用主机发送模式，所以只对主机发送模式作详细介绍，其它模式下格式和状态可以依此类推。
    在主机发送模式下，主机向从机发送数据。为了进入主机模式，必须先发送START信呼；紧接着的地址包格式决定是进入MT或MR模式。如果发送SLA+W，则进入MT模式；如果发送SLA+R，则进入MR模式。主机发送模式的格式和状态如图3所示。



4 TWI的编程实例
    下面将通过一个具体的实例来说明如何在实际应用中对TWl进行编程。本程序的主要功能是向PCA9554中写入数据，若错误则返回一1；否则返回O。其中参数command为命令字节，data为要写入的数据。
   


   





5 结论
   AVR系列单片机内部有可编程Flash，自带EEPROM，支持JTAG接口片内调试和对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程，因此成为众多单片机芯片的首选。同时，AVR系列单片机内部集成有TWI接口，弥补了其他型号单片机依靠时序模拟完成I2C芯片工作的缺陷。本文通过对TWI总线的详细介绍，旨在介绍一种对TWI总线进行编程的方法，对TWI的正确使用具有现实的指导意义。