基于單片機(jī)通用引腳的軟件UART設(shè)計(jì)方案解析

　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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(hù)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。