Version vom 3. Dezember 2006, 15:57 Uhr

In diesem Artikel folgen einige Programmbeispiele um das USI-Hardwaremodul der AVRs zu verwenden. Mit dem USI-Modul können die Schnittstellen I2C (TWI) und SPI nachgebildet werden. Näheres zu USI, I2C und SPI finden sich in den entsprechenden Artikeln. Die Beispiele sind zwar in Bascom Basic verfasst, aber so ausgeführt, das es möglich sein sollte das Prinzip mit jeder anderen Sprache nachvollziehen zu können.

USI-I2C-Master

Beispielumgebung mit PCF8574

Ist der AVR Master, bestimmt er was und wie schnell es auf dem I²C-Bus zugeht. (Ausnahme: Clock_Stretching )

Zur Generierung der gewünschten Busgeschwindigkeit ist die Software zuständig, die länge der Pausen zwischen den Takten muss erechnet werden, im Beispielprogramm für ca. 100kHz bei 16MHz CPU-Frequenz. Der Takt kann auch mithilfe eines Timers erzeugt werden, dies wird erst zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Beispiel gezeigt.

In den Beispielen wird als Master das Board RN-Control mit einem Tiny2313, und als Slave ein PCF8574, da sich dieser leicht ansteuern lässt.

Transmitter

Nur Senden

Der Master sendet einem Slave ein (oder mehrere) Byte, und schliesst die Übertragung anschliessend ab.

Das Gegenstück wäre Slave Receiver.

Beispielprogramm sendet ein Byte zum Slave mit Adresse 64 (0x40 bzw. &H40):

' USI-I2C Testprogramm 
' mit PCF8574 @ &H40 
'  
' ohne Interrupt und ohne Timer 
' ein Byte senden 
$regfile = "attiny2313.dat"
$crystal = 16000000
$baud = 9600

' Unterprogramme für die USI-Kommunikation 
Declare Sub Usi_twi_master_initialise()
Declare Sub Usi_twi_start_transceiver()
Declare Sub Usi_twi_master_stop()
Declare Sub Usi_twi_master_transfer()

' einige Aliases anlegen 
Pout_usi_scl Alias Portb.7
Pin_usi_scl Alias Pinb.7
Ddr_usi_scl Alias Ddrb.7
Pout_usi_sda Alias Portb.5
Pin_usi_sda Alias Pinb.5
Ddr_usi_sda Alias Ddrb.5

Dim Usi_twi_errorstate As Byte                          ' eigener Fehlerstatus 
' Array der Daten die übertragen werden 
Dim Messagebuf(4) As Byte
Dim Temp_usisr As Byte                                  ' Tempvariable für Unterprogramm 
Dim Anzahlbuf As Byte                                   ' Anzahl Zeichen die gesendet werden sollen  
Dim Cnt As Byte                                         ' Zähler 
Dim B As Byte                                           ' Zeichen von UART oder Testzeichen zum senden über USI 

' Prepare register value to: Clear flags, and set USI to shift 8 bits i.e. count 16 clock edges. 
Const Temp_usisr_8bit = &HF0
' Prepare register value to: Clear flags, and set USI to shift 1 bit i.e. count 2 clock edges. 
Const Temp_usisr_1bit = &HFE

B = 0
Anzahlbuf = 2                                           ' in diesem Beispiel immer nur 2 Zeichen 

Waitms 300                                              ' Sicherheitspause nach Reset 

Call Usi_twi_master_initialise

Print
Print "Tiny2313 USI-TWI-Test"

Messagebuf(1) = &H40                                    ' Adresse von 8574 

Do
    ' warten bis etwas über UART kommt 
    Input B
    ' oder automatisch zählen lassen 
    ' Incr B 

    ' Den Wert zum Slave senden 
    Messagebuf(2) = Not B                               ' Not, weil LEDs gegen GND schalten 
    Call Usi_twi_start_transceiver
    Call Usi_twi_master_stop

    ' Ausgabe, damit wir sehen was geschehen ist 
    Print B ;
    Print " "
    Print Hex(usi_twi_errorstate);
    Print " " ;
    Print Hex(temp_usisr)

    Call Usi_twi_master_initialise                      ' nochmal initialisieren falls ein Fehler aufgetreten ist 

    ' Waitms 700  ' Wenn automatisch gezählt werden soll, eine kleine Pause, damit man auch was sehen kann 
Loop

End

Unterprogramm nur Senden

Die restlichen Subroutinen sind im nächsten Abschnitt zu finden.

Diese Funktion ist nur zum versenden geeignet !

Statt dieser kann auch die Routine von unten genommen werden, die aber etwas mehr Speicherplatz benötigt.

' USI Transmit Funktion. 
Sub Usi_twi_start_transceiver()

    Usi_twi_errorstate = 0

    ' Test if any unexpected conditions have arrived prior to this execution. 
    ' Ist eine Startbedingung aufgetreten ? 
    If Usisr.7 = 1 Then                                 ' USISIF 
        Usi_twi_errorstate = &H02                       ' Usi_twi_ue_start_con 
        Exit Sub
    End If

    ' Ist eine Stopbedingung aufgetreten ? 
    If Usisr.5 = 1 Then                                 ' USIPF 
        Usi_twi_errorstate = &H03                       ' Usi_twi_ue_stop_con 
        Exit Sub
    End If

    ' Ist eine Datenkollision aufgetreten ? 
    If Usisr.4 = 1 Then                                 ' USIDC 
        Usi_twi_errorstate = &H04                       ' Usi_twi_ue_data_col 
        Exit Sub
    End If

    ' Release SCL to ensure that (repeated) Start can be performed 
    Pout_usi_scl = 1
    Waitus 5

    ' Startbedingung ausgeben 
    Pout_usi_sda = 0                                    ' Force SDA LOW. 
    Waitus 4
    Pout_usi_scl = 0                                    ' Pull SCL LOW. 
    Pout_usi_sda = 1                                    ' Release SDA. 

    ' prüfen ob die Startbedingung vom eigenen USI erkannt wurde 
    If Usisr.7 = 0 Then                                 ' USISIF 
        Usi_twi_errorstate = &H07
        Exit Sub
    End If

    ' Slaveadresse und Daten ausgeben 
    For Cnt = 1 To Anzahlbuf
        ' Ein Byte ausgeben 
        Pout_usi_scl = 0                                ' Pull SCL LOW. 
        Usidr = Messagebuf(cnt)
        Temp_usisr = Temp_usisr_8bit                    ' 8Bit ausgeben 
        Call Usi_twi_master_transfer

        ' (N)ACK vom Slave lesen 
        Ddr_usi_sda = 0                                 ' Enable SDA as input. 
        Temp_usisr = Temp_usisr_1bit                    ' 1Bit einlesen 
        Call Usi_twi_master_transfer

        ' kein ACK gekommen, Slave meldet sich nicht 
        If Temp_usisr.0 = 1 Then
            Usi_twi_errorstate = &H05                   ' Slave hat mit NACK quittiert 
            If Cnt = 1 Then
                Usi_twi_errorstate = &H06               ' Es hat sich kein Slave gemeldet 
            End If
            Exit For                                    ' hier wird die Schleife bei einem NACK verlasssen 
        End If

    Next Cnt

End Sub

Transmitter und Receiver mit DS1621 als Slave

Beispielumgebung mit DS1621

Senden und Empfangen (Repeated Start)

Im Beispiel wird ein DS1621 Temperatursensor mit I2C-Schnittstelle verwendet.
Der Master sendet dem Slave ein Kommando, stellt um auf Empfang und holt den Temperaturwert, schliesst die Übertragung anschliessend ab.

Der Temperaturwert wird über UART (RS232) im Klartext ausgegeben.

Die Subroutinen sind die gleichen wie für Master Transmitter. Da der DS1621 aber mit 400kHz kommunizieren kann, wurden die Waitus zwischen den Pegelwechseln weggelassen da die Befehle hier sowieso nicht schnell genug sind, und ein Wait unnötig machen. Sie sind aber als Kommentar eingefügt, damit zu sehen ist an welchen Stellen ansonsten gewartet werden sollte (zB. bei 100kHz).

Beispielprogramm holt Temperaturwert vom Slave mit Adresse 144 (0x90 bzw. &H90):
(Das Beispiel belegt 1418 Byte im Flash, das sind ca. 69% eines Tiny2313 !)

' USI-I2C Testprogramm 
' mit DS1621 @ &H90 
'  
' ohne Interrupt und ohne Timer 
' Temperatur von DS1621 lesen, und über UART ausgeben 
$regfile = "attiny2313.dat"
$crystal = 16000000
$baud = 9600

' Unterprogramme für die USI-Kommunikation 
Declare Sub Usi_twi_master_initialise()
Declare Sub Usi_twi_start_transceiver()
Declare Sub Usi_twi_master_stop()
Declare Sub Usi_twi_master_transfer()

' einige Aliases anlegen 
Pout_usi_scl Alias Portb.7
Pin_usi_scl Alias Pinb.7
Ddr_usi_scl Alias Ddrb.7
Pout_usi_sda Alias Portb.5
Pin_usi_sda Alias Pinb.5
Ddr_usi_sda Alias Ddrb.5

Dim Usi_twi_errorstate As Byte                          ' eigener Fehlerstatus 
' Array der Daten die übertragen werden 
Dim Messagebuf(4) As Byte
Dim Temp_usisr As Byte                                  ' Tempvariable für Unterprogramm 
Dim Anzahlbuf As Byte                                   ' Anzahl Zeichen die gesendet werden sollen 
Dim Cnt As Byte                                         ' Zähler 
Dim Rw As Bit                                           ' Read/Write Flag 

' Prepare register value to: Clear flags, and set USI to shift 8 bits i.e. count 16 clock edges. 
Const Temp_usisr_8bit = &HF0
' Prepare register value to: Clear flags, and set USI to shift 1 bit i.e. count 2 clock edges. 
Const Temp_usisr_1bit = &HFE

Waitms 500                                              ' Sicherheitspause nach Reset 

Call Usi_twi_master_initialise

Dim Device As Byte
Dim Deviceread As Byte
Dim Lowtemp As Byte
Dim Hightemp As Byte

Device = &H90
Deviceread = &H91

Sound Portd.5 , 300 , 450                               ' BEEP 

Print
Print "DS1621-USI Temperatur"


' Hauptprogramm 
Do

    Messagebuf(1) = Device                              ' Adresse von DS1621 
    Messagebuf(2) = &HEE                                ' Temperaturmessung anstoßen 
    Anzahlbuf = 2                                       ' 2 Byte ausgeben 
    Call Usi_twi_start_transceiver
    ' Print Hex(usi_twi_errorstate) 

    If Usi_twi_errorstate = 0 Then                      ' kein Fehler aufgetreten 

        Call Usi_twi_master_stop
        ' Print Hex(usi_twi_errorstate) 

        ' Waitms 1 
        Messagebuf(1) = Device                          ' Adresse von DS1621 
        Messagebuf(2) = &HAA                            ' Temperaturmessung Lesekommando 
        Anzahlbuf = 2                                   ' 2 Byte ausgeben 
        Call Usi_twi_start_transceiver
        ' Print Hex(usi_twi_errorstate) 
        ' kein STOP an dieser Stelle ! 
        ' es folgt ein Repeated START ! 

        If Usi_twi_errorstate = 0 Then                  ' kein Fehler aufgetreten 
            ' Temperatur lesen 
            Messagebuf(1) = Deviceread                  ' Adresse von DS1621 
            Messagebuf(2) = 0
            Messagebuf(3) = 0
            Anzahlbuf = 3                               ' 3 Byte ausgeben, bzw. einlesen 
            Call Usi_twi_start_transceiver
            ' Print Hex(usi_twi_errorstate) 

            If Usi_twi_errorstate = 0 Then              ' kein Fehler aufgetreten 

                Call Usi_twi_master_stop
                ' Print Hex(usi_twi_errorstate) 

                ' Gelesenen Bytes stehen ab Position 2 im Array 
                Lowtemp = Messagebuf(2)
                Hightemp = Messagebuf(3)

                ' Negativer Wert ? 
                If Lowtemp.7 = 1 Then
                    Lowtemp = Not Lowtemp
                    ' .5 ? 
                    If &H80 > Hightemp Then
                        Incr Lowtemp
                    End If
                    Print "-" ;
                Else
                    Print " " ;
                End If

                Print Lowtemp ; "," ;

                If Hightemp = &H80 Then
                    Print "5"
                Else
                    Print "0"
                End If

            End If
        End If
    End If

    If Usi_twi_errorstate <> 0 Then                     ' bei einem Fehler den Fehlercode ausgeben 
        Print "Error " ; Hex(usi_twi_errorstate)
    End If

    ' nochmal initialisieren falls ein Fehler aufgetreten ist 
    Call Usi_twi_master_initialise

    Waitms 2000
Loop

End

Unterprogramme für USI-Kommunikation

Hier folgen die Unterprogramme für die USI-I2C-Master Kommunikation

Initialisierung

USI-I2C Pins Initialisieren, und USI-Register setzen für I2C-Master.

' USI TWI single master initialization function 
Sub Usi_twi_master_initialise()
    ' Direction Out 
    Ddr_usi_scl = 1
    Ddr_usi_sda = 1
    ' Release SCL & SDA 
    Pout_usi_scl = 1
    Pout_usi_sda = 1

    ' Preload dataregister with "released level" data. 
    Usidr = &HFF

    ' Disable USI Interrupts. 
    ' Set USI in Two-wire mode. 
    ' Software stobe as counter clock source 
    Usicr = &B00101010

    ' Statusflags löschen, und Counter auf 0 zurücksetzen. 
    Usisr = &B11110000

End Sub

Senden/Empfangen

Startbedingung ausgeben,
versenden der Anzahl der angegebenen Bytes,
und einen Status zurückgeben, ob die Daten angenommen (ACK) wurden.

' USI Transmit und Receive Funktion. 
Sub Usi_twi_start_transceiver()

    Usi_twi_errorstate = 0

    ' Test if any unexpected conditions have arrived prior to this execution. 
    ' Ist eine Startbedingung aufgetreten ? 
    If Usisr.7 = 1 Then                                 ' USISIF 
        Usi_twi_errorstate = &H02                       ' Usi_twi_ue_start_con 
        Exit Sub
    End If

    ' Ist eine Stopbedingung aufgetreten ? 
    If Usisr.5 = 1 Then                                 ' USIPF 
        Usi_twi_errorstate = &H03                       ' Usi_twi_ue_stop_con 
        Exit Sub
    End If

    ' Ist eine Datenkollision aufgetreten ? 
    If Usisr.4 = 1 Then                                 ' USIDC 
        Usi_twi_errorstate = &H04                       ' Usi_twi_ue_data_col 
        Exit Sub
    End If

    ' Release SCL to ensure that (repeated) Start can be performed 
    Pout_usi_scl = 1
    Waitus 1                                            ' 5 

    ' Generate Start Condition 
    Pout_usi_sda = 0                                    ' Force SDA LOW. 
    ' Waitus 4 
    Pout_usi_scl = 0                                    ' Pull SCL LOW. 
    Pout_usi_sda = 1                                    ' Release SDA. 

    ' prüfen ob die Startsequenz vom eigenen USI erkannt wurde 
    If Usisr.7 = 0 Then                                 ' USISIF 
        Usi_twi_errorstate = &H07
        Exit Sub
    End If

    ' RW-Bit : Messagebuf(1).0 
    Rw = Messagebuf(1).0

    ' Write address and Read/Write data 
    For Cnt = 1 To Anzahlbuf
        ' SlaveAdresse immer Write, sonst auf R/W prüfen 
        If Cnt = 1 Or Rw = 0 Then
            ' Write a byte 
            Pout_usi_scl = 0                            ' Pull SCL LOW. 
            Usidr = Messagebuf(cnt)
            Temp_usisr = Temp_usisr_8bit
            Call Usi_twi_master_transfer

            ' Clock and verify (N)ACK from slave 
            Ddr_usi_sda = 0                             ' Enable SDA as input. 
            Temp_usisr = Temp_usisr_1bit
            Call Usi_twi_master_transfer

            ' kein ACK gekommen 
            If Temp_usisr.0 = 1 Then
                Usi_twi_errorstate = &H05               ' Der Slave hat die Daten mit NACK quittiert 
                If Cnt = 1 Then
                    Usi_twi_errorstate = &H06           ' Es hat sich kein Slave gemeldet 
                End If
                Exit For                                ' die Schleife bei einem Fehler verlasssen 
            End If
        Else
            ' Read a Byte 
            Ddr_usi_sda = 0                             ' Enable SDA as input. 
            Temp_usisr = Temp_usisr_8bit
            Call Usi_twi_master_transfer

            Messagebuf(cnt) = Temp_usisr                ' Empfangenes Byte ins Array 

            ' Prepare to generate ACK (or NACK in case of End Of Transmission) 
            If Cnt = Anzahlbuf Then
                Usidr = &HFF                            ' Load NACK to confirm End Of Transmission. 
            Else
                Usidr = &H00                            ' Load ACK. Set data register bit 7 (output for SDA) low. 
            End If

            Temp_usisr = Temp_usisr_1bit
            Call Usi_twi_master_transfer                ' ACK oder NACK senden 

        End If
    Next Cnt

End Sub

Ein Byte ausgeben/einlesen

Diese Routine gibt die Anzahl Bit aus, wie anhand der Variablen Temp_usisr eingestellt wurde, bzw. es wird damit die Anzahl Takte angegeben, die der Counter des USI-Moduls zählt bevor er überläuft, und das Flag USIOIF im Status-Register USISR gesetzt wird.

Getaktet wird hier per Software, pro Bit zwei Takte. Bei jedem Takt andert sich der Zustand (High/Low) von SCL.

Die Daten die ausgegeben werden sollen, müssen vor dem Aufruf dieser Routine in das Datenregister USIDR geschrieben werden.

Ob ein Bit ausgegeben oder gelesen wird, wird vor dem Aufruf im Datenrichtungsregister der Datenleitung SDA eingestellt. Im Beispiel mit dem Alias Ddr_usi_sda.

Das gelesene Byte von USIDR wird in die Variable Temp_usisr geschrieben, und kann vom Hauptprogramm weiterverarbeitet werden.

Sub Usi_twi_master_transfer()
    Usisr = Temp_usisr

    Temp_usisr = &B00101011                             ' for Toggle Clock Port. 

    Do
        ' Waitus 5 
        Usicr = Temp_usisr                              ' SCL takten 
        ' Wait for SCL to go high. 
        While Pin_usi_scl = 0
        Wend

        ' Waitus 4 
        Usicr = Temp_usisr                              ' SCL takten 

    Loop Until Usisr.6 = 1                              ' USIOIF, Wenn der Zähler überläuft, sind alle Bits versendet. 

    ' Waitus 5 
    Temp_usisr = Usidr                                  ' Daten aus USI-Datenregister lesen. 
    Usidr = &HFF                                        ' Release SDA. 

    Ddr_usi_sda = 1                                     ' Enable SDA as output. 

End Sub

STOP-Bedingung ausgeben

STOP-Bedingung ausgeben, und prüfen ob dies vom eigenen Modul erkannt wurde.
Status zurückgeben, ob die STOP-Bedingung erfolgreiche ausgegeben wurde.

' Function for generating a TWI Stop Condition. Used to release the TWI bus. 
Sub Usi_twi_master_stop()

    Pout_usi_sda = 0                                    ' Pull SDA LOW. 
    Pout_usi_scl = 1                                    ' Release SCL. 

    ' Wait for SCL to go high. 
    While Pin_usi_scl = 0
    Wend
    ' Waitus 4 
    Pout_usi_sda = 1                                    ' Release SDA. 
    Waitus 1                                            ' 5 

    ' prüfen ob die Stopsequenz vom eigenen USI erkannt wurde 
    If Usisr.5 = 0 Then                                 ' USIPF 
        Usi_twi_errorstate = &H08
'        Exit Sub                 ' Exit nicht nötig da schon das Ende erreicht 
    End If

    Usisr.5 = 1                                         ' USIPF zurücksetzen 
End Sub

Fehlercodes aus den Beispielen

Wenn ein unerwartetes Ereignis auftreten sollte, wird eine Zahl ausgegeben, hier ist deren Bedeutung dazu. Die Fehlercodes wurden aus den Beispielen von Atmel übernommen. (siehe Weblinks)

USI-I2C-Slave

Da der I2C-Master den Takt vorgibt, sind die Anmerkungen zur CPU-Frequenz zu beachten.

In den Beispielen wird als Master das Board RN-Mega8 mit einem Mega8, und als Slave das RN-Control Board, mit dem Adapter auf dem der Tiny2313 sitzt, verwendet. Da nur diese beiden Boards am Bus hängen, wurde ebenfalls als Slaveadresse 64 (0x40 bzw. &H40) verwendet, damit man die vorhergehenden Beispiele gleich weiterverwenden kann.

Transmitter

auf Abruf Senden

Der Slave wird von einem Master über eine festgelegte Adresse angesprochen, ein (oder mehrere) Byte werden zum Master übertragen, und anschliessend die Übertragung beendet.

Das Gegenstück wäre Master Receiver.

Das Beispielprogramm gibt Bytewerte zurück die sich bei jeder Abfrage um eins erhöhen. Verwendet man beim Master das Beispiel von Master Receiver, wird der Wert nach jeder Eingabe von Enter angezeigt.

' USI-I2C-Slave test 
' zum simulieren eines PCF8574 

Do
Loop

End

Receiver

Nur Empfangen

Der Slave wird von einem Master über eine festgelegte Adresse angesprochen, ein (oder mehrere) Byte werden zum Slave übertragen, und anschliessend die Übertragung beendet.

Das Gegenstück wäre Master Transmitter.

Das Beispielprogramm gibt die Bytewerte an PortC aus (aber nur die oberen 6 bit, da die beiden unteren für I2C verwendet werden), an dem beim RN-Control eine LED-Reihe angeschlossen ist. Verwendet man beim Master das Beispiel von Master Transmitter, wird der Wert, den man dort eingibt am Slave Binär angezeigt.

' TWI-slave test 
' zum simulieren eines PCF8574 

Do
Loop

End

Siehe auch

• Avr - Infos zu AVR allgemein
• I²C - Details zu I2C
• TWI - Two-wire Serial Interface
• SPI - Serial Peripheral Interface
• TWI Praxis - Bascom-Beispiele für Hardware TWI
• TWI Praxis Multimaster - Bascom-Beispiele für Hardware TWI

WebLinks

• [1] - Thread im Forum der zu diesem hier geführt hat
• [2] - DS1621 bei Robotikhardware
• Atmel_AVR310 - Using the USI module as a I2C master
• Atmel_AVR312 - Using the USI module as a I2C slave

Baustelle

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--Linux 80 02:11, 26. Nov 2006 (CET)