基于單片機(jī)通用引腳的軟件UART設(shè)計(jì)

  引言      
    隨著單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷深入，由單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，多個(gè)單片機(jī)之間以串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)成復(fù)雜的主從式通訊網(wǎng)。在多機(jī)系統(tǒng)中的有一些單片機(jī)承擔(dān)著復(fù)雜的通訊任務(wù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)的串口不能滿足需要，就必須對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展。如多參數(shù)醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀、小區(qū)防盜報(bào)警系統(tǒng)、RS485總線控制系統(tǒng)等。    
    目前擴(kuò)展串口的方法主要有以下方法, ①、采用串口擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)，如ST16C550、ST16C554、SP2538、MAX3110等，雖然成本較高, 但系統(tǒng)的可靠性得到了保證，適用于數(shù)據(jù)量較大、串口需求較多的系統(tǒng)；②、采用分時(shí)切換的方法將一個(gè)串口擴(kuò)展與多個(gè)串口設(shè)備通信，分時(shí)復(fù)用的方法成本低, 但只適用于數(shù)據(jù)量不大的場(chǎng)合, 并且只能由這個(gè)單片機(jī)主動(dòng)和多個(gè)設(shè)備通信，實(shí)時(shí)性差；③、用軟件模擬的方法擴(kuò)展串口，其優(yōu)勢(shì)也是成本低、實(shí)時(shí)性好, 但要占用一些CPU時(shí)間。    
    一般的軟件模擬擴(kuò)展串口方法，使用1個(gè)I/O端口、1個(gè)INT外部中斷和定時(shí)器，該方法擴(kuò)展的串口有2個(gè)缺點(diǎn)，①、由于使用了INT外部中斷，故只能使用2個(gè)INT外部中斷擴(kuò)展2個(gè)串口。②、文中的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的效率比較低，占用了CPU的大量時(shí)間，不能與其他任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，所以使用范圍有限。    
    本文提出的模擬串口方法，僅使用2個(gè)普通I/O和1個(gè)定時(shí)器，由于不需要INT的限制，可以擴(kuò)展出多個(gè)串口，且?guī)IFO的功能，該方法擴(kuò)展模擬串口的收發(fā)數(shù)據(jù)在中斷服務(wù)中完成，所以非常效率高，一般的單片機(jī)都支持定時(shí)器中斷，所以所以該方法在大多數(shù)單片機(jī)上都可以應(yīng)用。    
    對(duì)于低速度的單片機(jī)(如89S51)可以擴(kuò)展出低速串口(9600、4800等)，對(duì)于高速單片機(jī)(如AVR、PIC、C8051、STC12)可以擴(kuò)展高速串口(如19200、28800、38400、57600等)。目前單片機(jī)的處理速度越來(lái)越高，而價(jià)格越來(lái)越便宜，本文使用的STC12C1052芯片就具有高速度和低價(jià)格，價(jià)格僅為每片人民幣3.8元。電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，要求在保證性能的情況下降低硬件成本，軟件模擬擴(kuò)展串口提供了一種降低成本的好方法。     
    1、串口通訊原理     
    在串口的異步通信中，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位的字節(jié)幀進(jìn)行傳送，發(fā)送端和接收端必須按照相同的字節(jié)幀格式和波特率進(jìn)行通信，其中字節(jié)幀格式規(guī)定了起始位、數(shù)據(jù)位、寄偶效驗(yàn)位、停止位。起始位是字節(jié)幀的開(kāi)始，使數(shù)據(jù)線處于邏輯0狀態(tài)，用于向接收端表明開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，起到使發(fā)送和接收設(shè)備實(shí)現(xiàn)同步。停止位是字節(jié)幀的終止，使數(shù)據(jù)線處于邏輯1狀態(tài)，用于向接收端表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢。波特率采用標(biāo)準(zhǔn)速度，如4800、9600、19200、28800、38400、57600等。     
    2、軟件UART的設(shè)計(jì)思想     
    在本設(shè)計(jì)對(duì)硬件要求方面，僅僅占用單片機(jī)的任意2個(gè)I/O端口和1個(gè)定時(shí)器，利用定時(shí)器的定時(shí)中斷功能實(shí)現(xiàn)精確的波特率定時(shí)，發(fā)送和接收都在定時(shí)中斷的控制之下進(jìn)行。    
    數(shù)據(jù)發(fā)送的思想是，當(dāng)啟動(dòng)字節(jié)發(fā)送時(shí)，通過(guò)TxD先發(fā)起始位，然后發(fā)數(shù)據(jù)位和奇偶數(shù)效驗(yàn)位，最后再發(fā)停止位，發(fā)送過(guò)程由發(fā)送狀態(tài)機(jī)控制，每次中斷只發(fā)送1個(gè)位，經(jīng)過(guò)若干個(gè)定時(shí)中斷完成1個(gè)字節(jié)幀的發(fā)送。    
    數(shù)據(jù)接收的思想是，當(dāng)不在字節(jié)幀接收過(guò)程時(shí)，每次定時(shí)中斷以3倍的波特率監(jiān)視RxD的狀態(tài)，當(dāng)其連續(xù)3次采樣電平依次為1、0、0時(shí)，就認(rèn)為檢測(cè)到了起始位，則開(kāi)始啟動(dòng)一次字節(jié)幀接收，字節(jié)幀接收過(guò)程由接收狀態(tài)機(jī)控制，每次中斷只接收1個(gè)位，經(jīng)過(guò)若干個(gè)定時(shí)中斷完成1個(gè)字節(jié)幀的接收。    
    為了提高串口的性能，在發(fā)送和接收上都實(shí)現(xiàn)了FIFO功能，提高通信的實(shí)時(shí)性。FIFO的長(zhǎng)度可以進(jìn)行自由定義，適應(yīng)用戶的不同需要。    
    波特率的計(jì)算按照計(jì)算公式進(jìn)行，在設(shè)置最高波特率時(shí)一定要考慮模擬串口程序代碼的執(zhí)行時(shí)間，該定時(shí)時(shí)間必須大于模擬串口的程序的規(guī)定時(shí)間。單片機(jī)的執(zhí)行速度越快，則可以實(shí)現(xiàn)更高的串口通訊速度。     
    3、軟件UART設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)     
    本程序在宏晶科技(深圳)生產(chǎn)的STC12C1052高速單片機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，STC12C1052單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期的MCS51內(nèi)核單片機(jī)，與89C2051引腳完全兼容，其工作頻率達(dá)35MHz，相當(dāng)與420MHz的89C2051單片機(jī)，每片人民幣3.8元。由于該單片機(jī)的高速度，使得軟件擴(kuò)展串口的方法，更方便實(shí)現(xiàn)高速的串口。    
    本擴(kuò)展串口的設(shè)計(jì)中，STC12C1052使用的晶振頻率為22.1184Mhz，以波特率的3倍計(jì)算定時(shí)時(shí)間，在接收過(guò)程中以此定時(shí)進(jìn)行接收起始位的采樣，在發(fā)送和接收過(guò)程中再3分頻得到標(biāo)準(zhǔn)波特率定時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。     
    3.1、數(shù)據(jù)定義     
    定義模擬串口程序所必須的一些資源，如I/O引腳、波特率、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。    
    #define Fosc 22118400 //晶振頻率    
    #define Baud 38400//波特率    
    #define BaudT (Fosc/Baud/3/12)    
    #define BufLong 16//FIFO長(zhǎng)度    
    sbit RxD1=P1^7; //模擬接收RxD    
    sbit TxD1=P1^6; //模擬發(fā)送TxD    
    bit Brxd1,Srxd1;//RxD檢測(cè)電平    
    BYTE Rbuf1[BufLong];//FIFO接收區(qū)    
    BYTE Rptr1,Rnum1;    
    BYTE Tbuf1[BufLong];//FIFO發(fā)送區(qū)    
    BYTE Tptr1,Tnum1;    
    BYTE TimCnt1A,TimCnt1B;     
    BYTE Mtbuf1,Mrbuf1,TxdCnt1,RxdCnt1;     
    3.2、數(shù)據(jù)接收子程序     
    數(shù)據(jù)接收過(guò)程中，依次存儲(chǔ)RxD的邏輯位形成字節(jié)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢且停止位為1時(shí)，表示接收到了有效數(shù)據(jù)，就將結(jié)果存儲(chǔ)到接收FIFO隊(duì)列中去。    
    　　void Recv()    
    　　{    
    　　 if(RxdCnt1>0) //存數(shù)據(jù)位8個(gè)    
    　　 {    
    　　Mrbuf1>>=1;    
    　　if(RxD1==1) Mrbuf1=Mrbuf1|0x80;    
    　　 }   
    　　 RxdCnt1--;    
    　　 if(RxdCnt1==0&& RxD1==1) //數(shù)據(jù)接收完畢    
    　　 {     
    　　Rbuf1[Rptr1]=Mrbuf1; //存儲(chǔ)到FIFO隊(duì)列    
    　　if(++Rptr1>BufLong-1) Rptr1=0;    
    　　if(++Rnum1>BufLong) Rnum1=BufLong;    
    　　 }    
    　　}     
    3.3、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序     
    該程序過(guò)程中，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)結(jié)束時(shí)，檢測(cè)發(fā)送FIFO隊(duì)列是否為空，若非空則取出發(fā)送數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)發(fā)送狀態(tài)；當(dāng)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，則按照狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行起始位、數(shù)據(jù)位和停止位的發(fā)送。    
    　　void Send()    
    　　{    
    　　 if(TxdCnt1!=0) //字節(jié)發(fā)送狀態(tài)機(jī)    
    　　 {    
    　　 if(TxdCnt1==11) TxD1=0;//發(fā)起始位0    
    　　 else if(TxdCnt1>2) //發(fā)數(shù)據(jù)位    
    　　 { Mtbuf1>>=1; TxD1=CY;}    
    　　 else TxD1=1; //發(fā)終止位1    
    　　 TxdCnt1--;    
    　　 }    
    　　 else if(Tnum1>0) //檢測(cè)FIFO隊(duì)列    
    　　 {    
    　　 Tnum1--;    
    　　 Mtbuf1=Tbuf1[Tptr1]; //讀取FIFO數(shù)據(jù)    
    　　 if(++Tptr1>=BufLong) Tptr1=0;    
    　　 TxdCnt1=11; //啟動(dòng)發(fā)送狀態(tài)機(jī)    
    　　 }    
    　　}     
    3.4、中斷程序     
    中斷定時(shí)時(shí)間為波特率定時(shí)的1/3，即以3倍的波特率對(duì)RxD進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)起始位的判別，當(dāng)起始位到達(dá)時(shí)啟動(dòng)接收過(guò)程狀態(tài)機(jī)。將該定時(shí)進(jìn)行3分頻再調(diào)用數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程，進(jìn)行準(zhǔn)確波特率下的串口通信。    
    　　void Uart() interrupt 1 using 1    
    　　{    
    　　 if(RxdCnt1==0 ) //接收起始識(shí)別    
    　　 {    
    　　if(RxD1==0 && Brxd1==0 && Srxd1==1) { RxdCnt1=8; TimCnt1B=0;}   
    　　 }    
    　　 Srxd1=Brxd1; Brxd1=RxD1;    
    　　 if(++TimCnt1B>=3 && RxdCnt1!=0) { TimCnt1B=0; Recv();}//數(shù)據(jù)接收     
    　　 if(++TimCnt1A>=3) { TimCnt1A=0; Send();} //數(shù)據(jù)發(fā)送    
    　　}     
    3.5、串口初始化     
    打開(kāi)定時(shí)器的中斷，將定時(shí)器的設(shè)置為自裝載模式，依照波特率設(shè)置定時(shí)中斷的定時(shí)間隔，啟動(dòng)定時(shí)器，并進(jìn)行UART各變量的初始化。    
    　　void IniUart()    
    　　{    
    　　 IE="0x82"; TMOD="0x22";     
    　　 TH0=-BaudT; TL0=-BaudT; TR0=1;    
    　　 Rptr1=0;Rnum1=0;Tptr1=0;Tnum1=0;    
    　　}  
    4、結(jié)束語(yǔ)    
    本文提出的模擬串口設(shè)計(jì)方法，其獨(dú)特之處在于：僅僅使用任意2個(gè)普通I/O引腳和1個(gè)定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)了全雙工串口，對(duì)硬件的占用較少，具有多可串口擴(kuò)展能力；在串口接收的起始位判別時(shí)采用了連續(xù)3次采樣的判別方法，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確率高；用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)了串口
    數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，并實(shí)現(xiàn)了FIFO隊(duì)列，使串口發(fā)送和接收工作效率高。    
    作者在實(shí)際應(yīng)用中已利用該方法在STC12C1052單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了5個(gè)串口的擴(kuò)展，用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀多個(gè)模塊數(shù)據(jù)接收，效果令人滿意。隨著單片機(jī)處理速度的提高，該方法可以替代串口擴(kuò)展芯片，大大降低系統(tǒng)的硬件成本，由于采樣C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，所以可以很方便地移植到AVR、PIC、C8051等高速單片機(jī)。

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM