AVR單片機和Matlab串口通信的計時器系統(tǒng)

引言

　　本文設計了一種基于AVR單片機和Matlab串口通信的計時器系統(tǒng)，本計時器系統(tǒng)可以滿足體育競賽中精確計時的要求。在該設計中，主要以Atmel公司ATmega16單片機作為信號采集系統(tǒng)，通過串口和上位機的Matlab通信，自定義了一項通信協(xié)議，使上位機接收到不同的信號，可以實現(xiàn)對Matlab中計時器的控制。[1]利用Matlab軟件提供的GUI設計出一套友好的人機界面。[2]本系統(tǒng)中，可以有多個單片機作為下位機，通過串口連接ZigBee無線傳輸模塊，與上位機進行通信。無線傳輸模塊的接入可以實現(xiàn)遠程多點信號采集，使系統(tǒng)更加靈活，可擴展性大大增強。

1 系統(tǒng)總體設計

　　本系統(tǒng)包括多個以ATmega16單片機為主控制器的信號采集系統(tǒng)和一個上位機Matlab軟件編寫的計時器程序。多個下位機和上位機之間通過串口接ZigBee無線通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。ATmega16捕捉到的對射型光電開關信號傳輸給上位機Matlab，控制計時器的開始、中斷和結(jié)束功能。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框圖

2 信號采集系統(tǒng)的設計

　　信號采集系統(tǒng)主要由對射型光電開關、信號電平轉(zhuǎn)換電路和單片機組成。

　　對射型光電開關由發(fā)射器和接收器組成，結(jié)構(gòu)上是相互分離的，在光束被中斷的情況下會產(chǎn)生一個開關信號變化。本文使用的對射型光電開關的特征是：能辨別不透明的反光物體；有效距離大，檢測距離可達10 m；不易受干擾，可以可靠地在野外或者有灰塵的環(huán)境中使用。

　　光電開關信號的高電平輸出+12 V數(shù)字信號，而ATmega16 I/O口電平為TTL電平，電壓范圍為0~+5 V，因此，在光電開關和單片機之間必須設計一個電平轉(zhuǎn)換電路。本設計考慮使用光電耦合器件TLP521-2，它提供了兩個孤立的光耦8引腳塑料封裝，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)+12～+5 V電壓的轉(zhuǎn)換，還能隔離兩端信號，提高電路的穩(wěn)定性。信號電平轉(zhuǎn)換電路示意圖如圖2所示。

圖2 信號電平轉(zhuǎn)換電路示意圖

　　ATmega16單片機的外部中斷通過引腳INT0、INT1觸發(fā)。只要使能了中斷，即使引腳INT0、INT1配置為輸出，當電平發(fā)生了合適的變化，中斷也會觸發(fā)。通過設置ATmega16控制寄存器MCUCR和控制與狀態(tài)寄存器MCUCSR，中斷可以由下降沿、上升沿或者是低電平觸發(fā)。[3]本文使用E3FDS10C4的對射光電開關，輸出方式為NPN常開型，當其光線被遮擋時，則信號輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，即輸入ATmega16外部中斷引腳的中斷信號為下降沿。本設計中，兩路光電開關信號接ATmega16的外部中斷INT0、INT1引腳，外部中斷相關寄存器設置如下：

MCUCR=0x0A;//INT0、INT1下降沿觸發(fā)中斷

GICR=0xC0;//使能INT0、INT1

　　當光電開關出現(xiàn)下降沿時，則程序進入相應的外部中斷處理程序，將外部中斷標志位置位。單片機主程序流程圖如圖3所示。