TWI

TWI (Two-wire Serial Interface) ist eine Bezeichnung von Atmel für die auf vielen AVR Megas vorhandene I²C-Hardware.

In diesem Artikel soll nur auf Besonderheiten der AVR-Microcontroller eingegangen werden, Einzelheiten zu I²C finden sich in den entsprechenden Artikeln.

Merkmale

• Master- und Slavemodus
• Multimaster
• 7-Bit Adressierung (als Master möglicherweise auch 10-Bit Adressierung)
• Übertragungsrate von bis zu 400kBit/s

TWI verwenden

Um TWI mit dem AVR verwenden zu können sind einige Einstellungen nötig, die hier in Abhängigkeit der Anwendung aufgezeigt werden.

TWI-Register

Hier eine kurze Beschreibung der für den TWI Betrieb notwendigen Register

TWBR

Bit Rate Register, alle 8 bit

dient zum einstellen des Bus-Taktes als Master, siehe Bit Rate Generator

TWCR

Control Register

Bit:	7	6	5	4	3	2	1	0
Name:	TWINT	TWEA	TWSTA	TWSTO	TWWC	TWEN	–	TWIE

die Hauptschaltstelle befindet sich hier, für

aktivieren des TWI-Moduls, Start- und Stopsequenz senden, ACK-Bit senden, Interruptanforderung aktivieren

TWSR

Status Register

Bit:	7	6	5	4	3	2	1	0
Name:	TWS7	TWS6	TWS5	TWS4	TWS3	–	TWPS1	TWPS0

die oberen 5 Bit geben den Status der letzten Aktion wieder

die zwei niederwertigen Bit zum einstellen des Prescaler als Master, siehe Bit Rate Generator

TWDR

Data Register, alle 8 bit

Beim Senden: nächstes Byte, das auf den Bus ausgegeben werden soll

Beim Empfangen: letztes Byte, das über den Bus gekommen ist

Die Daten sind gültig, solange das Bit TWINT in TWCR gesetzt ist

TWAR

Slave Address Register

Bit:	7	6	5	4	3	2	1	0
Name:	TWA6	TWA5	TWA4	TWA3	TWA2	TWA1	TWA0	TWGCE

Wird der AVR als Slave eingesetzt, wird in den oberen 7 Bit die Adresse eingetragen, auf die reagiert werden soll

als Master ist es unbenutzt

Setzt man Bit0, kann zusätzlich auf einen General Call reagiert werden

Übertragungsarten

Bei TWI gibt es diese Übertragungsarten

• Master Transmitter (nur senden)
• Master Receiver (senden und empfangen)
• Slave Transmitter (auf Abruf senden)
• Slave Receiver (nur empfangen)

Abhängig von der Anwendung kann der AVR alle Arten der Übertragung im gleichen Programm ausführen.

Master

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

Zur Bestimmung der Bus-Geschwindigkeit ist der Bit Rate Generator zuständig.

Bit Rate Generator

Zur Übertragung gibt es die Bitraten Standard, mit bis zu 100kBit/s, und FastMode, mit bis zu 400kBit/s. Der Master muss immer den Takt erzeugen, der bei Bedarf auf der Leitung SCL angelegt wird. Der SCL-Takt ist beim AVR abhängig von der CPU-Frequenz. Im Gegensatz zum RS232 ist I2C jedoch ein synchrones Protokoll, das mit dem Taktsignal SCL arbeitet. Daher muss man nicht exakt auf eine Frequenz von von 100kHz bzw. 400kHz kommen.

Im TWI-Modul des AVR gibt es zwei Stellen, an denen man die Teilung der Frequenz einstellen kann:

• die Prescaler Bits (TWPS), diese 2 Bits befinden sich im TWI Status Register (TWSR)
• für die genauere Einstellung das TWI Bit Rate Register (TWBR)

Formel zur Berechnung der SCL-Frequenz:

[math]\mathrm{SCL{-}Frequenz = \frac{CPU{-}Frequenz}{16 + 2 \cdot TWBR \cdot 4^{TWPS} } }[/math]

Da ein AVR zur Zeit max. mit 20MHz getaktet werden kann, ist es nicht nötig, den Prescaler zu benutzen, bzw. er wird auf den Teiler 1 gestellt, was keiner Teilung entspricht. Mit diesem Teiler können alle CPU-Frequenzen und TWI-Takte abgedeckt werden.

Mögliche Prescaler-Werte

Bit-Wert	Teiler
00	1
01	4
10	16
11	64

Die Werte von TWBR gehen von theoretisch 0 bis 255. Laut Atmel soll der Wert aber mind. 10 Betragen, da es sonst zu Problemen bei der Übertragung kommen kann.

Beispiel-Berechnung:

Es soll eine SCL-Frequenz von 100kHz erzeugt werden, die CPU-Frequenz beträgt 8MHz, der Teiler (Prescaler) ist – wie oben erwähnt – auf 1 (TWPS = 0).

Laut der Formel ergibt das dann:

100kHz = 8.0MHz / (16 + 2 * x * 4^0 )    / 1 fällt weg
100kHz = 8.0MHz / (16 + 2 * x )          / *(16 + 2 * x )
100kHz * (16 + 2 * x ) = 8000kHz         / kürzen  / : 100
16 + 2 * x  = 80                         / -16
2 * x  = 64                              / :2
x = 32

Ergebnis

Der Wert für TWBR muss 32 sein, damit die SCL-Frequenz von 100kHz ergibt bei 8MHz CPU-Frequenz.

Es Ergibt sich somit folgende Formel zum Berechnen von TWBR:

[math]\mathrm{TWBR = \frac{ \frac {CPU{-}Frequenz}{SCL{-}Frequenz} - 16}{2}}[/math]

Kommt ein Wert kleiner 10 heraus, kann ein höherer CPU-Takt gewählt werden, oder falls das nicht möglich ist, wird der Bus mit einem geringeren Takt betrieben, was trotzdem innerhalb der Spezifikation liegt. Wird eine krumme CPU-Frequenz verwendet, die kein ganzzahliges Ergebnis zur Folge hat, kann man mit der ersten Formel überprüfen, ob der Wert auf- oder abgerundet wird. Auf der sicheren Seite ist man, wenn der Wert aufgerundet wird. Das entspricht einer grösseren Teilung, also eine geringfügig kleinere Bitrate und liegt deshalb im Standard.

Slave

Um den AVR als Slave zu konfigurieren sind nur diese wenigen Schritte notwendig:

• gewünschte Slaveadresse im Address Register (TWAR) setzen
• im Control Register (TWCR)
  • mit TWEN das TWI Modul aktivieren
  • mit TWEA das Senden des Bestätigungsbits (ACK) zulassen

anschliessend als Slave

• warten, bis im Control Register (TWCR) das Bit TWINT gesetzt ist, welches anzeigt, daß auf dem Bus was los ist
• das Status Register (TWSR) abfragen und entsprechend darauf reagieren

Anmerkung zur CPU-Frequenz

Da der Master den Takt vorgibt, muss der Slave nur mit dessen Takt am Bus mitlauschen. Um zu gewährleisten, daß der Slave dem Takt folgen kann sollte laut Atmel die CPU-Frequenz eines ATMega-Slave mind. das 16-fache der Bus-Frequenz betragen.

das ergibt folgende Werte :

Bus-Frequenz	minimale CPU-Frequenz
100 kHz	1,6 MHz
400 kHz	6,4 MHz

Quellen

Atmel-AVR-Datenblätter

Siehe auch

• I²C
• RS232
• RS485
• RN-Slave ID Übersicht

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