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呼吸灯应用系统的工作流程如图 1.1 所示，其工作过程就是一个“明—暗—明”的过程。
图 1.1 呼吸灯应用系统的工作流程图
设计呼吸灯系统，需要考虑以下几方面的内容：
（1）要发光，则需要一个合适的光源。
（2）需要一个能够对光源进行相应控制的驱动电路。
（3）ATmega128 单片机要有与驱动电路匹配的接口。
（4）需要设计合适的单片机软件。
在ATmega128 单片机应用系统中，最常用的发光源是发光二极管（LED）。发光二极管的发光强弱和通过它的电流大小相关，电流越大，发光二极管的光越强，通过对该电流大小的控制，即可以实现对发光二极管亮度的控制。当该电流逐渐增大时灯光逐渐变亮，反之灯光逐渐变暗。
ATmega128 是基于RISC结构的 8 位高性能、低功耗处理器，是AVR单片机系列中整体性能最强的一款产品，其主要特点如下：
（1）支持 131 条AVR指令，其中大多数指令执行时间为单个时钟周期，执行速度快。
（2）内部有 32 个 8 位通用工作寄存器，硬件乘法器只需两个时钟周期，当工作频率为 16MHz时，性能高达 16MIPS。
（3）内置 4KB的片内SRAM，128KB的系统内可编程Flash，4KB字节的EEPROM。
（4）内置具有独立锁定位的可选Boot代码区，并且可以通过片上Boot 程序实现系统内编程。
（5）内置 4 个灵活的、具有比较模式和PWM功能的定时/计数器T/C和一个实时时钟RTC。
（6）内置 8 通道 10 位ADC，可以组合为 8 个单端通道或 7 组差分通道，其中有两个具有可编程增益（1×，10×，或 200×）的差分通道。
（7）内置片内模拟比较器。
（8）内置具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。
（9）内置多种串行通信接口，包括TWI（I 2 C）两线接口，两路可编程USART，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口。
（10）提供 53 个可编程的I/O口，64 引脚TQFP封装，64 引脚MLF封装。
（11）支持符合JTAG标准的边界扫描，提供与IEEE 1149.1 标准兼容的JTAG硬件接口。
（12）支持 2.7～5.5V（ATmega128L）和 4.5～5.5V（ATmega128）工作电压，ATmega128L工作频率为 0～8MHz，ATmega128 的工作频率为 0～16MHz。
图 1.2 是ATmega128 的内部结构示意图，各个部分的详细说明如下：
图 1.2 ATmega128 的内部结构
（1）ALU（运算器）：支持通用寄存器之间，以及通用寄存器与常数之间的算术和逻辑运算，ALU也可以执行单寄存器操作，运算完成之后更新相应的状态寄存器的内容以反映操作结果。ATmega128 通过有条件或无条件的跳转指令和调用指令来控制程序的工作流程，从而可以直接寻址整个地址空间。
（2）通用寄存器：其中 6 个寄存器可以联合起来构成 3 个 16 位的X、Y、Z间接寻址寄存器，用来寻址数据空间以实现高效的地址运算，其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。
（3）程序存储器：这是可以在线编程的Flash，其快速访问寄存器由 32 个 8 位通用寄存器组成，访问时间为一个时钟周期，从而ATmega128 可以实现单时钟周期的运算器操作。在典型的运算器操作中，两个位于不同通用寄存器中的操作数被同时访问，然后执行运算，结果被送回到通用寄存器，整个指令执行过程仅需一个时钟周期。
（4）中断模块：ATmega128 内置一个灵活的中断模块，其控制寄存器位于I/O空间内，并且有一个位于状态寄存器SREG中的全局中断使能位，每个中断在中断向量表中都有独立的中断向量，其优先级与该中断向量在中断向量表中的位置有关，中断向量地址越低，其优先级越高。
（5）内部扩展资源：ATmega128 内部集成了多种外部资源，包括SPI接口、ADC接口、E 2 PROM、串行模块等。
ATmega128 单片机的输出是一个数字信号，只有“0”和“1”两种状态，也就是说只有“大电流”和“小电流”，不能直接对LED进行控制，此时需要一个相应的电路来将这个数字信号转换为模拟信号。
RCL电路是一种可以进行储能释放的电路，如图 1.3 所示。如果在电容C 1 两端加上一个电源，电源将对C 1 进行充电，C 1 在两端累积电荷；如果此时电源被撤去，C 1 开始通过R 1 和L 1 组成的回路进行放电，但是电感L 1 会产生逆电动势，同时继续给C 1 充电，所以此时C 1 处于一个反复的充放电过程，直到其中最开始存储的电能都在电阻R 1 上消耗掉。
图 1.3 RCL电路
如果在RCL电路的R 1 和L 1 之间串联一个发光二极管，在电容两端加上高/低数字逻辑电平，则可以实现发光二极管上电流的变化。
注意： 这个充放电的过程，被称为RCL的阶跃响应，其充放电的时间是可以通过相关的公式计算出来的，有兴趣的读者可以自行查阅电路相关书籍。
虽然RCL电路能够将对应的高/低数字逻辑电平转换为模拟信号，并且实现电流的大小变化，但是还是需要ATmega128 单片机提供数字逻辑电平，此时可以应用PWM控制原理。
PWM是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的缩写，简称脉宽调制，是一种使用ATmega128 单片机或其他处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的方法，这种方法以数字方式来控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
在采样控制理论中有一个重要结论：当冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术即以该结论为理论基础，利用ATmega128 单片机的I/O引脚输出一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需波形，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制。PWM控制技术既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
对于PWM控制来说，其关键参数有两个：脉冲频率和脉冲宽度，在实际的ATmega128 单片机应用系统中，通常可以使用定时器来实现对这两个参数的控制。
在呼吸灯实例中，修改PWM的输出波形，可以改变RCL电路外加电源工作时间的长短，并对RCL电路的充电频率进行调整，从而可以分别修改吸气和呼气的长度，以及呼吸的频率。
ATmega128 的常用软件开发环境包括AVR Studio、GCCAVR（WINAVR）、ICC AVR、Code Vision AVR等，其中最常用的是ICCAVR。
ICCAVR集成开发环境的主要特点如下：
（1）它是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境（IDE），集成度高，使用简单；
（2）源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成，编译错误会显示在状态窗口中，当点击错误时，光标会自动跳转到错误的那一行，便于用户进行修改和编译；
（3）工程管理器可以生成AVR单片机直接使用的.HEX格式文件，该格式的文件可被大多数编程器所支持。
ICCAVR集成开发环境提供了丰富的内部工具，常用命令都具有快捷工具栏，并且提供了ICCAVR Application Builder快速开发工具用于帮助用户快速建立一个应用工程文件。除了代码编辑窗口，ICCAVR还提供了菜单命令栏、快捷工具栏、项目管理窗口、代码编辑窗口、状态栏、输出窗口等。ICCAVR的工作界面如图 1.4 所示。
图 1.4 ICCAVR的工作界面
ICCAVR的菜单栏包括File、Edit、Search、View、Project、Studio+、RCS、Tools、Terminal、Help菜单项，下面将详细介绍这些菜单的用途。
图 1.5 是File（文件）菜单的示意图，该菜单包含了用于文件操作的相关菜单项，详细说明如下所示。
图 1.5 File菜单
（1）New：新建一个文件。
（2）Reopen：打开历史文件，最近用过的历史文件将显示在右边的子菜单中。
（3）Open：打开一个已存在的文件。
（4）Reload：放弃全部的修改，从磁盘或者备份中重新装载当前文件。
（5）Save：保存当前文件。
（6）Save As：将当前文件保存为另外的名称。
（7）Close：关闭当前文件。
（8）Compile File：把当前文件编译成目标文件、输出.hex或当前项目的启动文件。
（9）Save All：保存所有打开的文件。
（10）Close All：关闭当前打开的所有文件。
（11）Print：打印当前文件。
（12）Exit：退出ICCAVR IDE环境。
图 1.6 是Edit（编辑）菜单的示意图，该菜单包含了编辑操作相关的菜单项，其详细说明如下所示。
（1）Undo：撤销上一次的修改。
（2）Redo：恢复上一次撤销的操作。
（3）Cut：把选择的内容剪切到粘贴板。
（4）Copy：把选择的内容复制到粘贴板。
（5）Paste：将粘贴板的内容粘贴在当前光标的位置。
（6）Delete：删除所选择的内容。
（7）Select All：选择当前文件的全部内容。
（8）Block Indent：对当前选中的整块内容右移。
（9）Block Outdent：对当前选中的整块内容左移。
图 1.7 是Search（查找）菜单的示意图，该菜单包含了用于查找操作的相关菜单命令，其详细说明如下所示。
图 1.6 Edit菜单
图 1.7 Search菜单
（1）Find：在当前编辑窗口中寻找一个或者多个字符串，可以使用Match Case（区分大小写）、Whole Word（全字匹配）、Up/Down（往上或往下）选项。
（2）Find in Files：在当前所有打开的文件中，或在当前工程的所有文件中，或当前目录中的文件中寻找一个或者多个字符串，可以使用Case Sensitive（区分大小写）、Whole Word（全字匹配）、Regular Expression（寻找规则的表达式）选项。
（3）Replace：在当前编辑窗口中替换一个或多个字符串。
（4）Find Again：再次查找。
（5）Goto Line Number：转到当前编辑窗口的指定行。
（6）Add Bookmark：添加书签。
（7）Delete Bookmark：删除书签。
（8）Next Bookmark：跳转到下一个书签。
（9）Goto Bookmark：跳转到指定的书签。
图 1.8 是View（视图）菜单的示意图，该菜单包含了用于控制ICCAVR显示的操作命令，其详细说明如下所示。
（1）Project File Window：打开或者关闭项目组织窗口。
（2）Status Window：打开或者关闭状态窗口。
（3）Project Makefile：以只读方式打开当前项目的makefile文件。
（4）Output Listing：以只读方式打开当前项目的输出列表文件。
（5）Map File：以只读方式打开当前项目的映射文件。
图 1.9 是Project（项目）菜单的示意图，该菜单包含了用于控制ICCAVR项目设置的操作命令，其详细说明如下所示。
图 1.8 View菜单
图 1.9 Project菜单
（1）New：创建一个新的工程项目。
（2）Open：打开一个已经存在的工程项目。
（3）Open All Files：打开选定工程的全部文件。
（4）Close All Files：关闭当前全部打开的文件。
（5）Reopen：重新打开一个最近打开过的工程项目。
（6）Make Project：编译当前工程项目。
（7）Rebuild All：重新编译当前工程项目。
（8）Add File(s)：添加一个文件到当前工程项目中。
（9）Remove Selected File(s)：从工程项目中删除选中的文件。
（10）Options：打开工程项目编译选项菜单项。
（11）Close：关闭当前工程项目。
（12）Save As：使用新名称保存当前工程项目。
Options（选项）菜单是Project菜单中最重要的菜单项，其用于设置当前项目的相关编译参数，包含了 4 个菜单页，其中最常用的两个菜单页如图 1.10 和 1.11 所示。
如图 1.10 所示是Options菜单选项中的Compiler菜单页，常用的设置是选择项目的“OutputFormat”，通常情况下选择“COFF/HEX”即可，选择该选项生成项目对应的.COFF文件和.HEX文件，前者用于调试，后者用于对ATmega128 编程。
如图 1.11 所示是Options菜单选项中的Target菜单页，常用的设置是选择使用的具体器件、选择当前项目的类型是应用代码还是Boot Loader代码，以及选择PRINTF的数据类型。相关参数说明如下所示。
（1）small：只支持%c、%d、%x、%X、%u和%s格式。
（2）long：支持%ld、%lu、%lx、%lX。
（3）float：支持%f，该选项会占用很大的内存空间。
图 1.10 编译菜单页
图 1.11 目标菜单项
图 1.12 是RCS（源控制）菜单的示意图，该菜单中包含了与ICCAVR文件控制相关的操作命令，其详细说明如下所示。
（1）Check In Selected File(s)：检查当前工程项目中的所有选择文件。
（2）Check In Project：检查当前工程项目中的所有文件；
（3）Diff Selected File：显示选择文件的差异。
（4）Show Log of Selected Files(s)：显示当前文件的修改记录。
图 1.13 是Tools（工具）菜单的示意图，该菜单中包含了对ICCAVR的外部相关工具进行控制的操作命令，其详细说明如下所示。
图 1.12 RCS菜单
图 1.13 Tools菜单
（1）Environment Options：环境和终端仿真器选项。
（2）Editor and Print Options：编辑和打印选项。
（3）In System Programmer：在系统编程器，它提供程序代码下载的应用，需要相应的下载硬件配合。
（4）AVR Calc：AVR计算器，可以计算串口波特率、定时计数器的定时常数等。
（5）Application Builder：应用向导程序，可以生成硬件的初始化代码。
（6）Configure Tools：添加外部工具到工具菜单。
（7）Run：以命令行方式运行一个外部程序。
Help菜单是提供ICCAVR软件相关信息、帮助手册、升级及注册帮助等操作命令的菜单，在此不再赘述。
ICCAVR除了支持标准的C语言关键字之外，还支持一些扩展关键字，用于编译诸如中断之类的特殊操作，这些关键字的说明及用法如下：
“interrupt_handler”关键字必须在函数之前定义，用于说明该函数是中断操作函数，编译器会在中断操作函数中生成中断返回指令reti来代替普通返回指令ret，保存和恢复函数所使用的全部寄存器，并且会根据中断向量号vector number生成中断向量地址。
“ctask”关键字指定了函数使用非挥发寄存器来保存和恢复代码，其典型应用是在RTOS实时操作系统中让RTOS核直接管理寄存器。
“data”关键字用于改变数据段名称，使其与命令行选项相适应，该关键字在分配全局变量至EEPROM中时必须被使用。
ICCAVR也提供了许多现成的库函数供用户调用，使用这些函数可以大大提高代码的编写效率，在使用这些库函数之前必须先引用以下对应的头文件。
（1）io*.h：IO寄存器操作函数的头文件。
（2）macros.h：宏和定义声明的头文件。
（3）assert.h：宏声明的头文件。
（4）ctype.h：字符类型函数头文件。
（5）float.h：浮点数原型头文件。
（6）limits.h：数据类型的大小和范围头文件。
（7）math.h：浮点运算函数头文件。
（8）stdarg.h：变量参数表头文件。
（9）stddef.h：标准定义头文件。
（10）stdio.h：标准输入/输出I/O函数头文件。
（11）stdlib.h：内存分配函数的标准库头文件。
（12）string.h：字符串处理函数头文件。
由于ICCAVR自带项目管理器，所以用户不需要在项目管理上花费过多的精力，只需要按照以下步骤操作即可建立一个属于自己的项目。
（1）启动ICCAVR，建立工程文件并且选择器件。
（2）建立源文件、头文件等相应的文件。
（3）将工程需要的源文件、头文件、库文件等添加到工程中。
（4）修改启动代码并且设置工程相关选项。
（5）编译并且生成HEX/COFF或LIB文件。