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作者：電子科技大學(xué) 甘明；信息產(chǎn)業(yè)部電子第十研究所 周興建
文中介紹了ATMEL公司的高性能AVR單片機(jī)ATmega103的主要性能特點(diǎn)，給出了ATmega103在FH跳頻系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理模塊中的應(yīng)用方法，詳細(xì)介紹了片內(nèi)同步串口SPI的使用技巧，同時(shí)給出了SPI的通信應(yīng)用程序。
ATmegA103單片機(jī)是ATmeI公司推出的精簡(jiǎn)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(jí)語(yǔ)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(hào)處理模塊主要完成跳頻模式(Fh)掠泄厥?中藕諾拇?恚??ɑ耙舯嘟飴�、话音讬�?壩臚?接泄氐牟僮韉齲?廡┘際蹌殼笆翹?迪低車(chē)墓丶?際踔?弧?/P>
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(hào)處理模塊中的使用方法，同時(shí)詳細(xì)介紹SPI(SeRIAI PeRIPheRAI 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(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期；
●帶有128k字節(jié)片內(nèi)可下載的FIASh存儲(chǔ)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(xiàn)、8條輸入線(xiàn)和8條輸出線(xiàn)；
●具有32個(gè)8位通用寄存器；
●內(nèi)含2個(gè)8位定時(shí)器和1個(gè)16位定時(shí)器；
●帶有可編程串行uART+SPI接口；
●具有內(nèi)部中斷源和8個(gè)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(mén)狗等電路；
●可在線(xiàn)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?xún)r(jià)比的微控制器。
2 跳頻信號(hào)處理對(duì)單片機(jī)的要求
跳頻信號(hào)處理模塊是Fh電臺(tái)的關(guān)鍵部分之一，主要用于完成電臺(tái)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_(tái)在工作時(shí)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(shí)處理功能，因?yàn)槟K對(duì)許多信息要求立即處理，例如TOD(TIme OF DAy)信息、話(huà)音數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)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(tái)在Fh工作方式時(shí)，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(guò)足夠的I/O口來(lái)提供多種控制狀態(tài)線(xiàn)，以供電臺(tái)及模塊內(nèi)部使用。
(6)通過(guò)片內(nèi)大量數(shù)據(jù)來(lái)存儲(chǔ)區(qū)存取運(yùn)算過(guò)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(tái)Fh信號(hào)處理模塊對(duì)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此，本設(shè)計(jì)選用ATmegA103單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(cuò)和冗余設(shè)計(jì)；同時(shí)，針對(duì)數(shù)據(jù)接口多的特點(diǎn)，程序中還設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)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(guò)SPI進(jìn)行高速同步數(shù)據(jù)傳輸。主從CPu的SPI連接見(jiàn)圖2所示。其中，SCk為主機(jī)的時(shí)鐘輸出和從機(jī)的時(shí)鐘輸入。把數(shù)據(jù)寫(xiě)入主機(jī)SPI數(shù)據(jù)寄存器的操作將啟動(dòng)SPI時(shí)鐘產(chǎn)生器，此時(shí)，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(gè)字節(jié)后，SPI時(shí)鐘停止，并設(shè)置發(fā)送結(jié)束標(biāo)志。此時(shí)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(shí)，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(gè)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(shí)，數(shù)據(jù)也將從從機(jī)移向主機(jī)，從而在移位過(guò)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(shí)鐘相位和時(shí)鐘速率等；SPSR為SPI中斷標(biāo)志，用于標(biāo)志寫(xiě)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(xiě)該寄存器時(shí)，將先對(duì)數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行初始化，讀該寄存器時(shí)，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(hào)處理模塊中，單片機(jī)通過(guò)SPI與FPgA交換數(shù)據(jù)。FPgA選用XINIIX公司的XCV100。下面具體介紹幾個(gè)主要的子程序：
(1)SPI的初始化
程序在復(fù)位時(shí)，通常都要對(duì)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)镮Sb?低位?在前。SCk時(shí)鐘空閑時(shí)為低電平，在SCk的下降沿采樣數(shù)據(jù)；時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘的1/128。那么，具體的初始化程序如下：
ReSeT:IDI RX,＄0
OuT SPSR,RX ?;清SPI中斷標(biāo)志，寫(xiě)沖突標(biāo)志
IDI RX,＄0F7;
OuT SPCR, RX ?;設(shè)置SPI的傳輸參數(shù)
來(lái)源：《國(guó)外電子元器件》
