TWI Slave mit avr-gcc: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 26. Juli 2007, 19:47 Uhr

Programm für einen AVR mit TWI (Hardware-I2C)-Schnittstelle als Slave.

Manchmal stellt sich die Aufgabe, mehrere AVRs per I2C zu vernetzen. Ein Beispiel ist die Erweiterung eines bestehenden Systems um einen leistungsstärkeren Controller. Dies ist etwa beim Asuro oder Yeti denkbar, um z.B. mehr Ein/Ausgänge oder Speicherplatz zu bekommen.

Man kann aber beim Bau eines Roboters auch von Anfang an auf ein System von mehreren vernetzten Controllern setzen. So kann man verschiedene Aufgabe, die weitgehend unabhängig voneinader gleichzeitg erledigt werden müssen, besser verteilen. Denkbar ist z.B. ein Controller für die Motorsteuerung, einer für die Sensorik, einer für Ein-und Ausgabe(wie LCD und Bedientaster),... , und ein zentraler Controller, der die Richtung vorgibt und alle anderen Controller mit Befehlen versorgt. Ein konkretes Beispiel ist der Roboterbausatz Nibo von nicai-systems, der einen Atmel ATmega128 als Hauptcontroller und zwei Atmel ATtiny44 als Controller für die Motorsteuerung und die IR-Sensorik einsetzt. Die Kommunikazion läuft über den I2C-Bus mit dem ATmega128 als Master.

Schließlich kann ein entsprechend programmierter AVR auch als Ersatz für handelsübliche I2C-Bauteile dienen. Der kleinste AVR mit Hardware-I2C, der ATmega8, ist mit 1,70€ (Reichelt) billiger als viele normale I2C-ICs. Ein ATmega8 kann bei entsprechender Programmierung z.B. die Aufgaben von zwei PCF8574 (8bit-Portexpander, 1,70€) und einem PCF8591 (4fach AD-Wandler, 2,90€) übernehmen und außerdem noch als I2C-EEPROM mit 512 Bytes dienen.

Das folgende Programm (twislave.c) steuert das TWI (Hardware-I2C)-Interface eines AVRs als Slave an. Es müsste auf allen AVRs der Mega-Reihe funktionieren, die über eine TWI-Schnittstelle verfügen.

Das System ist als eine Art Dualport-RAM konzipiert, Master und Slave teilen sich also einen Speicherbereich und können darüber Daten austauschen.

Ein Codeschnipsel für den Master. Es wird die I2C-Master-Bibliothek von Peter Fleury verwendet. Es wird geprüft, ob der Slave bereit ist, dann werden die ersten drei Bytes aus dem txbuffer des Slaves gelesen und in byte0..2 abgespeichert.

#include "i2cmaster.c"  //I2C-Master-Routinen von Peter Fleury verwenden (siehe http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/avr-software.html#libs)
#define SLAVE_ADRESSE 0x50
uint8_t byte0;
uint8_t byte1;
uint8_t byte2;

      if(!(i2c_start(SLAVE_ADRESSE+I2C_WRITE))) //Slave bereit zum lesen?
      {
         i2c_write(0x00); //Buffer Startadresse zum Auslesen
         i2c_rep_start(SLAVE_ADRESSE+I2C_READ); //Lesen beginnen

            byte0= i2c_readAck();
            byte1= i2c_readAck();
            byte2= i2c_readNak(); //letztes Byte lesen, darum kein ACK
         i2c_stop();
      } 

Die twislave.c für den Slave. Stand: 25.03.07

#ifndef _TWISLAVE_H
#define _TWISLAVE_H

#include <util/twi.h> //enthält z.B. die Bezeichnungen für die Statuscodes in TWSR
#include <avr/interrupt.h> //dient zur behandlung der Interrupts
#include <stdint.h> //definiert den Datentyp uint8_t


/*
Dieses Programm in einer separaten Datei (z.B. twislave.c) abspeichern und in das eigene Programm
einbinden.

Betrieb eines AVRs mit Hardware-TWI-Schnittstelle als Slave. Zu Beginn muss init_twi_slave mit der gewünschten
Slave-Adresse als Parameter aufgerufen werden. Der Datenaustausch mit dem Master erfolgt über die Buffer 
rxbuffer und txbuffer, auf die von Master und Slave zugegriffen werden kann. 
rxbuffer und txbuffer sind globale Variablen (Array aus uint8_t). 
Die Ansteuerung des rxbuffers, in den der Master schreiben kann, erfolgt ähnlich wie bei einem normalen I2C-EEPROM.
Man sendet zunächst die Bufferposition, an die man schreiben will, und dann die Daten. Die Bufferposition wird 
automatisch hochgezählt, sodass man mehrere Datenbytes hintereinander schreiben kann, ohne jedesmal
die Bufferadresse zu schreiben.
Um den txbuffer vom Master aus zu lesen, überträgt man zunächst in einem Schreibzugriff die gewünschte Bufferposition und
liest dann nach einem repeated start die Daten aus. Die Bufferposition wird automatisch hochgezählt, sodass man mehrere
Datenbytes hintereinander lesen kann, ohne jedesmal die Bufferposition zu schreiben.

Autor: Uwe Große-Wortmann (uwegw)
Status: Testphase, keine Garantie für ordnungsgemäße Funktion! 
letze Änderungen: 
23.03.07 Makros für TWCR eingefügt. Abbruch des Sendens, wenn der TXbuffer komplett gesendet wurde. 
24.03.07 verbotene Buffergrößen abgefangen
25.03.07 nötige externe Bibliotheken eingebunden


Abgefangene Fehlbedienung durch den Master:
- Lesen über die Grenze des txbuffers hinaus
- Schreiben über die Grenzen des rxbuffers hinaus
- Angabe einer ungültigen Schreib/Lese-Adresse
- Lesezuggriff, ohne vorher Leseadresse geschrieben zu haben


 */ 
 



//%%%%%%%% von Benutzer konfigurierbare Einstellungen %%%%%%%%

#define buffer_size 8 //Größe der Buffer in Byte (2..254)


//%%%%%%%% Globale Variablen, die vom Hauptprogramm genutzt werden %%%%%%%%

/*Der Buffer, in dem die empfangenen Daten gespeichert werden. Der Slave funktioniert ähnlich  wie ein normales
 Speicher-IC [I2C-EEPROM], man sendet die Adresse, an die man schreiben will, dann die Daten, die interne Speicher-Adresse
 wird dabei automatisch hochgezählt*/
volatile uint8_t rxbuffer[buffer_size];

/*Der Sendebuffer, der vom Master ausgelesen werden kann.*/
volatile uint8_t txbuffer[buffer_size];


//%%%%%%%% Funktionen, die vom Hauptprogramm aufgerufen werden können %%%%%%%%
 
/*Initaliserung des TWI-Inteface. Muss zu Beginn aufgerufen werden, sowie bei einem Wechsel der Slave Adresse
Parameter: adr: gewünschte Slave-Adresse*/
void init_twi_slave (uint8_t adr);



//%%%%%%%% ab hier sind normalerweise keine weiteren Änderungen erforderlich! %%%%%%%%//
//____________________________________________________________________________________//

#include <util/twi.h> //enthält z.B. die Bezeichnungen für die Statuscodes in TWSR


//Bei zu alten AVR-GCC-Versionen werden die Interrupts anders genutzt, daher in diesem Fall mit Fehlermeldung abbrechen
#if (__GNUC__ * 100 + __GNUC_MINOR__) < 304
	#error "This library requires AVR-GCC 3.4.5 or later, update to newer AVR-GCC compiler !"
#endif

//Schutz vor unsinnigen Buffergrößen
#if (buffer_size > 254)
	#error Buffer zu groß gewählt! Maximal 254 Bytes erlaubt.
#endif

#if (buffer_size < 2)
	#error Buffer muss mindestens zwei Byte groß sein!
#endif


volatile uint8_t buffer_adr; //"Adressregister" für den Buffer

/*Initaliserung des TWI-Inteface. Muss zu Beginn aufgerufen werden, sowie bei einem Wechsel der Slave Adresse
Parameter: adr: gewünschte Slave-Adresse
*/
void init_twi_slave (uint8_t adr)
{
	TWAR= adr; //Adresse setzen
	TWCR &= ~(1<<TWSTA)|(1<<TWSTO);
	TWCR|= (1<<TWEA) | (1<<TWEN)|(1<<TWIE); 	
	buffer_adr=0xFF;  
	sei();
}


//Je nach Statuscode in TWSR müssen verschiedene Bitmuster in TWCR geschreiben werden(siehe Tabellen im Datenblatt!). 
//Makros für die verwendeten Bitmuster:

//ACK nach empfangenen Daten senden/ ACK nach gesendeten Daten erwarten
#define TWCR_ACK TWCR = (1<<TWEN)|(1<<TWIE)|(1<<TWINT)|(1<<TWEA)|(0<<TWSTA)|(0<<TWSTO)|(0<<TWWC);  
//NACK nach empfangenen Daten senden/ NACK nach gesendeten Daten erwarten     
#define TWCR_NACK TWCR = (1<<TWEN)|(1<<TWIE)|(1<<TWINT)|(0<<TWEA)|(0<<TWSTA)|(0<<TWSTO)|(0<<TWWC);
//switched to the non adressed slave mode...
#define TWCR_RESET TWCR = (1<<TWEN)|(1<<TWIE)|(1<<TWINT)|(1<<TWEA)|(0<<TWSTA)|(0<<TWSTO)|(0<<TWWC);  

//Die Bitmuster für TWCR_ACK und TWCR_RESET sind gleich. Dies ist kein Fehler und dient nur der Übersicht!


/*ISR, die bei einem Ereignis auf dem Bus ausgelöst wird. Im Register TWSR befindet sich dann 
ein Statuscode, anhand dessen die Situation festgestellt werden kann.
*/
ISR (TWI_vect)  
{
uint8_t data=0;


switch (TW_STATUS) //TWI-Statusregister prüfen und nötige Aktion bestimmen 
{

case TW_SR_SLA_ACK: // 0x60 Slave Receiver, wurde adressiert	
	TWCR_ACK; // nächstes Datenbyte empfangen, ACK danach
	buffer_adr=0xFF; //Bufferposition ist undefiniert
break;
	
case TW_SR_DATA_ACK: // 0x80 Slave Receiver,Daten empfangen
	data=TWDR; //Empfangene Daten auslesen
	if (buffer_adr == 0xFF) //erster Zugriff, Bufferposition setzen
		{
			
			//Kontrolle ob gewünschte Adresse im erlaubten bereich
			if(data<=buffer_size)
				{
					buffer_adr= data; //Bufferposition wie adressiert setzen
				}
			else
				{
				buffer_adr=0; //Adresse auf Null setzen. Ist das sinnvoll?
				}				
			TWCR_ACK;	// nächstes Datenbyte empfangen, ACK danach, um nächstes Byte anzufordern
		}
	else //weiterer Zugriff, Daten empfangen
		{
			rxbuffer[buffer_adr]=data; //Daten in Buffer schreiben
			buffer_adr++; //Buffer-Adresse weiterzählen für nächsten Schreibzugriff
			if(buffer_adr<(buffer_size-1)) //im Buffer ist noch Platz für mehr als ein Byte
				{
					TWCR_ACK;// nächstes Datenbyte empfangen, ACK danach, um nächstes Byte anzufordern
				}
			else   //es kann nur noch ein Byte kommen, dann ist der Buffer voll
				{
					TWCR_NACK;//letztes Byte lesen, dann NACK, um vollen Buffer zu signaliseren
				}
		}
break;

case TW_ST_SLA_ACK: //?!?
case TW_ST_DATA_ACK: //0xB8 Slave Transmitter, weitere Daten wurden angefordert

	if (buffer_adr == 0xFF) //zuvor keine Leseadresse angegeben! 
		{
			buffer_adr=0;
		}	
	TWDR = txbuffer[buffer_adr]; //Datenbyte senden 
	buffer_adr++; //bufferadresse für nächstes Byte weiterzählen
	if(buffer_adr<(buffer_size-1)) //im Buffer ist mehr als ein Byte, das gesendet werden kann
		{
			TWCR_ACK; //nächstes Byte senden, danach ACK erwarten
		}
	else
		{
			TWCR_NACK; //letztes Byte senden, danach NACK erwarten
		}
break;

case TW_ST_DATA_NACK: //0xC0 Keine Daten mehr gefordert 
case TW_SR_DATA_NACK: //0x88 
case TW_ST_LAST_DATA: //0xC8  Last data byte in TWDR has been transmitted (TWEA = “0”); ACK has been received
case TW_SR_STOP: // 0xA0 STOP empfangen
default: 	
    TWCR_RESET; //Übertragung beenden, warten bis zur nächsten Adressierung
break;

	
} //end.switch (TW_STATUS)
} //end.ISR(TWI_vect)


#endif //#ifdef _TWISLAVE_H
////Ende von twislave.c////

EIn Testprogramm für den Slave.

/*
Testprogramm für die twislave.c
Der txbuffer wird mit Werten gefüllt. Dann werden txbuffer und rxbuffer 
fortlaufend über die serielle Schnittstelle ausgegeben.

Beispiel für die Ausgabe in einem beliebigen Terminalprogramm:

rxbuffer
1
160
100
100
187
0
0
0
...

txbuffer
10
11
12
13
14
15
16
17
...

im Bereich rxbuffer stehen die vom Master geschriebenen Werte,
im txbuffer die Werte, die der Master vom Slave lesen kann.
*/


#include "twislave.c"
#include "uart.c"

#define BAUD 9600 //Baudrate
#define SLAVE_ADRESSE 0x50 //Die Slave-Adresse

//Funktion für Warteschaleifen
//Parameter: Wartezeit in Milisekunden
#include <util/delay.h>
void warte (int loop)  //loop: wartezeit in ms 
{
	int i;
	for(i=0;i<loop;i++) _delay_ms(1);
}

int main (void)
{
//TWI als Slave mit Adresse slaveadr starten
init_twi_slave(SLAVE_ADRESSE);

//tybuffer mit Werten füllen, die der Master auslesen soll
for(uint8_t i=0;i<buffer_size;i++)
	{
		txbuffer[i]=10+i;
	}

//Serielle Schnittstelle aktivieren
uart_init((UART_BAUD_SELECT((BAUD),F_CPU)));
uart_puts("I2C-Test\r\n");
uart_puts("Teste I2C-Slave mit Adresse "); uart_puti(SLAVE_ADRESSE);
uart_puts("\r\n");
uart_puts("\r\n"); //Leerzeile

//in einer Endlosschleife den Inhalt der Buffer ausgeben
while(1) 
{
	uart_puts("rxbuffer\r\n");
	for(uint8_t i=0;i<buffer_size;i++)
		{
			uart_puti(rxbuffer[i]);
			uart_puts("\r\n");
		}
	uart_puts("\r\n");//leerzeile
	uart_puts("txbuffer\r\n");
	for(uint8_t i=0;i<buffer_size;i++)
		{
			uart_puti(txbuffer[i]);
			uart_puts("\r\n");
		}
	uart_puts("\r\n");//leerzeile
warte(500);
} //end.while
} //end.main