本文介绍的$AVR单片机由美国ATMEL公司生产，采用RISC指令集，内置RAM及可以擦写数千次的FLASH，采用哈佛结构，速度较快。ATmega128为此系列中功能最强大的一款，用于设计控制系统能适应现时复杂系统的要求。

AVR单片机介绍

ATMEL公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和$数字集成电路的一流半导体制造公司。AVR单片机由ATMEL公司开发，是过去12年里第一个新发布的8位RISCMCU，执行大多数指令只需一个时钟周期速度快(8MHzAVR≈200MHzC51)。其32个通用寄存器直接与ALU相连，消除了运算瓶颈;同时由于C编译专家的参与，C代码效率极高;用户在享受C语言带来的极大便利的同时无需担心消耗更多的资源。芯片内嵌可串行下载或自我编程的FLASH和E2PROM。具有以下功能：电压检测BOD复位源寄存器看门狗、PWM、10位A/D、模拟比较器、UART、I2C、SPI、实时时钟等。具有Idle/Power-Save和Power-Down等低功耗运行模式，可电平中断唤醒PowerDown。同时具有完整产品线，FLASH从1KB到128KB，E2PROM从64B到4KB，SRAM从128B到4KB，引脚数从8到64。

其中Atmeg128为AVR系列中的代表性产品之一。相比其它产品，该芯片有以下特性：

(1)先进的RISC结构：133条功能强大的指令，大部分在单时钟周期内完成，32×8个通用工作寄存器+外设控制寄存器，最高可工作在16MHz下，性能可达16MIPS;片内带有执行时间为2个时钟周期的硬件乘法器。

(2)程序和数据存储区：128kB在线可编程Flash存储器，可反复擦写1000次;可通过独立的加密位选择引导程序代码段，可通过片内引导程序实现在线系统编程，写操作时真正可读;4kB的EEPROM存储区，可反复擦写100，000次。4kB的片内SRAM存储区，可外部扩展为64kB。

系统硬件设计框架

硬件系统主要由CPU(AVR单片机)、人机操作和显示接口(液晶显示、键盘、指示灯和蜂鸣器)、通信接口组成。系统框图如图1所示

图1　系统硬件设计框图

CPU为核心处理器件，通过I/O接口方式或A/D总线方式与液晶、显示键盘、指示灯和蜂鸣器交互，作者实现了两个版本，分别采用I/O方式和A/D总线方式。通信接口主要用到了UART接口和扩展的网络接口。其中UART提供了RS-232和RS-485接口，RS-232提供全双工单对单通信同时，而RS-485以主/从方式与系统的多个部分通信，可用于多通道的输入输出设备。该芯片本身并不带网络接口，通过扩展一个W3100A连接RT-L8201(L)芯片，实现TCP/IP协议栈，从而使设备可以接入LAN，实现在LAN内的远程控制管理和监控。

系统软件结构

系统软件体系分为几个部分：

(1)系统的循环检测部分，用于检测各通道的系统设备工作是否正常，出现异常时则通过三色指示灯报警(绿色代表正常，红色代表异常，黄色为中间状态)。

(2)系统的设置部分，接受用户按键，用户可以在GUI上设置希望设置的参数。

(3)网络接口部分，此时单片机系统不参与设置，主要功能将网络部分获得的数据导至各通道。软件系统的核心部分在于菜单结构的设计。

本系统采用一种基于节点编号的三叉树状菜单的设计。将整个菜单看作一个菜单树，每个界面对应于树中的一个节点，父节点为当前菜单的上一级菜单;右节点为当前菜单的“兄弟”菜单，亦即上级菜单的其余子菜单。

我们采用对节点编号的方式将整个菜单树串起来，通过识别节点编号(ID)就能知道该节点处于哪一级菜单，同时也便于我们将菜单数初始化。编号方式：每级子菜单的编号为上级父菜单ID乘以10再加上该级子菜单在上级菜单中对应的子项号(1，2，3.)，我们将根节点ID编号为1，则根节点菜单的子菜单对应的ID分别为11，12，13。ID为11的节点的下级菜单ID为：111，112，113。一个树型结构菜单的结构和ID编号的实例如图2所示。

Typedef structmenu{

long ID; / /当前菜单ID

void ( * disp laymenu) ( long i, unsigned char j) ; / /当前菜单对应处理函数

char cur; / /当前菜单子项

char total; / /子菜单总数

structmenu * up, * down, * right; / /毗邻子菜单

}MENU;

图2　一个菜单树的实例
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对于用户按键操作切换不同的菜单时，我们只需修改一个指向对应菜单节点的全局菜单节点指针即可。当用户按下“ESC”键时，菜单指针指向当前节点的父节点，按下“Enter”键时，则指针指向对应节点的子节点。

用于AVR单片机的RAM空间较小，只有4KB，我们需设计一种合理而简洁的数据结构，我们将菜单的数据结构定义为(C语言实现)。

图3　menuselect函数的流程图

将菜单分为显示型菜单和功能性菜单，显示型菜单项用于切换各级菜单，功能型菜单则执行最底层菜单所对应的操作，total变量为0则表示为功能型菜单，大于0则表示选择型菜单。通过菜单的ID，即可以知道当前菜单的显示位置和内容，将此信息放在对应的displaymenu函数中可以节省数据空间，不用对于功能型菜单建立额外的ID与处理函数间的对应关系表，从而实现功能型菜单和显示型菜单的一致性操作。一个供参考的执行函数可以写作：

if(g_pmenu->total>0)

{

g_pmenu=menuselect(g_pmenu，Key);

}

else

{

(g_pmenu->displaymenu)(g_pmenu->ID，g_pmenu->cur);

}

其中menuselect函数用于切换对应的菜单子项，按键为“UP”键和“DOWN”键时，只需修改g_pmune->cur即可;按下“ENTER”键时，则g_pmenu=g_pmenu->down，再根据cur值，g_pmenu=g_pmenu->right;按下“ESC”键，则g_pmenu=g_pmenu->up。

这种设计使得代码数据量变得较小，同时增强了程序的扩展性，需要增加或修改菜单项时，不论是功能型菜单还是执行性菜单，只需要修改对应的菜单结构的数组即可，而不必修改对应的执行代码。经过这样的简化后，发现对于菜单数较多的多通道输入/输出系统，系统RAM区还是不够用。对于一个8输入通道的系统，每个通道的参数设置项可能多达40项，总菜单节点大于300个，每个节点占用14B，则整个菜单节点所占的RAM已超过4K，所以这种方式还是需要进一步改进。

注意到多通道的参数设置项完全相同，ID为111，112，.，118的菜单分支完全一样，ID为121和122的菜单分支也完全相同。可以定义一种Sibling菜单，从而删去ID为112～118以及ID为122的菜单节点和子节点(虚线框所示)，其上级菜单(ID为11和ID为12)的项目中的total值均变为1。为了区别不同的通道分支，有两种实现办法：

一种处理方法采用全局变量

增加一个g_CODER_Channel_Number的全局变量，用于保存当前的通道号。在menuselect函数中，增加一个针对本系统设计的一个判断，当ID为11时，则不修改对应的g_pmenu->cur，而是直接修改变量g_CODER_Channel_Number，进入对应的显示函数后，直接根据g_CODER_Channel_Number判断通道号，从而输出对应的值。这种方法不需要改变系统设计的结构，但需要针对不同的系统修改主处理函数menuselect。

另一种处理方法在菜单结构中增加一个MenuSibling结构，定义为

typedef struct _menuSibling{

signedcharcur;

signedchartotal;

}SIBLING;

同时对应的菜单结构修改为

typedefstructmenu{

...

SIBLINGSibling;

}MENU;

这样，ID为11的结构项的Sibling.total为8，Sibling.cur为当前的子菜单项。判断到total>0且Sibling.total>0时，可知其下一级菜单为SIB2LING菜单，此时以前需修改cur想的操作则修改Sibling.cur即可。这种设计下，每个节点增加了2B的空间，但是保证的程序的一致性，对于不同的系统其设计基本一致。

以上菜单项的设计用于系统设置部分，当退出系统设置时，即进入系统循环检测部分。$单片机通过RS-485接口检测各个通道是否正常，当正常时则显示为绿灯，出现异常则显示为红灯，黄灯为中间状态。指示灯的流程参见图4。

图4　循环检测的指示灯流程

结束语

按照本文提供的方法优化后的设计，可以满足大多数的多通道输入/输出系统的$控制系统的需要，整个系统的设计主要在于建立一个菜单树，将对应的节点编号，再编写对应的节点处理函数即可。这种设计使得程序的开发、维护都很容易，具有较强的可扩展性和可移植性。

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