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, dass es möglich sein sollte das Prinzip mit jeder anderen Sprache nachvollziehen zu können.
Inhaltsverzeichnis
USI-I2C-Master
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 errechnet werden, im Beispielprogramm für ca. 100 kHz bei 16 MHz 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 verwendet, 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
- 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 400 kHz 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 ändert 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 erfolgreich 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)
| Code | Kurzbezeichnung | Fehlerbeschreibung |
|---|---|---|
| 02 | USI_TWI_UE_START_CON | Unerwartete Start Bedingung aufgetreten |
| 03 | USI_TWI_UE_STOP_CON | Unerwartete Stop Bedingung aufgetreten |
| 04 | USI_TWI_UE_DATA_COL | Unerwartete Data Collision (arbitration) |
| 05 | USI_TWI_NO_ACK_ON_DATA | Der Slave hat die Daten nicht per ACK quittiert |
| 06 | USI_TWI_NO_ACK_ON_ADDRESS | Es hat sich kein Slave per ACK gemeldet |
| 07 | USI_TWI_MISSING_START_CON | Erzeugte Start Bedingung nicht erkannt |
| 08 | USI_TWI_MISSING_STOP_CON | Erzeugte Stop Bedingung nicht erkannt |
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.
Im unten angegebenen WebLink (Nr.1) zum Forum ist ein Beispielprogramm um einen USI-I2C-Slave zu programmieren, es ist noch nicht ganz ausgereift, funktioniert aber ausreichend.
Bei Gelegenheit wird das hier nachgeholt.
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
- [3] - Forum-Artikel, in dem eine Bascom-Lib vorgestellt wird, um die Bascom-I2C-Befehle mit dem USI-Modul als Master zu verwenden.
--Linux 80 02:11, 26. Nov 2006 (CET)
