PIC單片機軟件異步串行口的實(shí)現

在用單片機開(kāi)發(fā)各種嵌入式應用系統時(shí),異步串行通信是經(jīng)常要用到的一種通信模式,很多應用中還要求實(shí)現多路異步串行通信。大家平時(shí)熟悉的各種廠(chǎng)家的單片機,絕大部分片上只提供一個(gè)硬件UART模塊,利用它可以方便實(shí)現一路串行通訊。PIC系列單片機也不例外,在其豐富的產(chǎn)品家族成員中,除高端系列（PIC17/18）一些型號片上帶有兩路硬件UART模塊外,其它大部分型號片上只有一路UART,一些低端廉價(jià)的PIC單片機甚至還不帶硬件UART。為了提高系統的性能價(jià)格比,就要求設計工程師用軟件增加實(shí)現一路或多路異步串行通信。很多工程師對用軟件實(shí)現的UART在可靠性和效率方面持懷疑態(tài)度,其實(shí)關(guān)鍵問(wèn)題是看軟件采用何種方式來(lái)實(shí)現可靠的UART功能。

　　在討論具體實(shí)現方式前,我們先來(lái)簡(jiǎn)單回顧一下異步串行通信的格式定義。發(fā)送一個(gè)完整的字節信息,必須有“起始位”、“若干數據位”、“奇偶校驗位”和“停止位”;必須定義每位信息的時(shí)間寬度——每秒發(fā)送的信息位個(gè)數,即為“波特率”。單片機系統中常用的波特率從300～19 200 b/s。當波特率為1200b/s時(shí),每個(gè)信息位的時(shí)間寬度為 1/1200≈833μs;無(wú)數據通信時(shí),數據線(xiàn)空閑狀態(tài)應該是高電平,“起始位”為低電平,數據位低位先發(fā)且后跟奇偶校驗位（若有）,“停止位”為高電平,如圖1所示。

圖1

　　按圖1最基本的異步串行通信時(shí)序,軟件實(shí)現UART在不同架構的單片機上有多種方法。其中數據接收是關(guān)鍵,因異步通信沒(méi)有可參照的時(shí)鐘信號,發(fā)送方隨時(shí)都可能發(fā)送數據,任何時(shí)刻串行數據到來(lái)時(shí),系統都應該及時(shí)準確地接收。比較而言,本機發(fā)送串行數據相對容易,只要對發(fā)送出去的電平做持續時(shí)間的定時(shí)即可。按不同的接收技巧并針對PIC單片機的特點(diǎn),這里介紹兩種常用且十分可靠的方法。

1 三倍速采樣法

　　三倍速采樣法顧名思義就是以三倍于波特率的頻率對接收引腳Rx進(jìn)行采樣,保證檢測到“起始位”,又可以調整采樣的時(shí)間間隔;將有效數據位的采樣點(diǎn)控制在碼元的中間1/3處,最大限度地減少誤碼,提高接收的準確性。我們把圖1的起始位和部分數據位放大,如圖2所示,把每個(gè)信息位分成三等份,每等份的時(shí)間寬度設為ts,以方便分析。

圖2

　　以三倍頻對信息位進(jìn)行采樣時(shí),每個(gè)信息位都將可能被采樣到三次。當處于空閑狀態(tài)并檢測起始位時(shí),最早檢測到起始位低電平的時(shí)刻必將落在S0陰影區,雖然每次具體的采樣點(diǎn)會(huì )在此S0陰影區隨機變化。檢測到起始位低電平后,間隔4×ts時(shí)間,正好是第一位數據位的中間1/3處（圖2中Ds陰影區）。此后的數據位、校驗位和停止位的采樣間隔都是3×ts,所有采樣點(diǎn)均落在碼元的中間1/3處,采樣數據最可靠。

　　PIC單片機采用此法實(shí)現軟件UART時(shí),硬件上只要任意定義兩個(gè)I/O引腳,分別初始化成輸入（串行數據接收）和輸出（串行數據發(fā)送）即可;軟件上只要實(shí)現定時(shí)采樣,定時(shí)時(shí)間間隔在中檔以上有中斷機制的單片機上可以用不同的定時(shí)器（TMR0、TMR1、TMR2等）通過(guò)定時(shí)中斷實(shí)現,在低檔無(wú)中斷的PIC單片機上可以控制每次主循環(huán)所耗的時(shí)間來(lái)實(shí)現。對于1200 b/s波特率,碼元寬度為833μs,采樣時(shí)間間隔即為278μs。整個(gè)串行接收或發(fā)送是一個(gè)過(guò)程控制問(wèn)題,用狀態(tài)機方式實(shí)現最為高效簡(jiǎn)易。圖3給出了串行接收的參考狀態(tài)機轉移過(guò)程。

圖3

　　本刊網(wǎng)絡(luò )補充版（www.dpj.com.cn）中,介紹了簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言參考源程序。此段程序實(shí)現1200b/s全雙工串行通信,1位起始位,8位數據位,無(wú)校驗位,1位停止位,沒(méi)有幀錯誤等判別。編譯環(huán)境為HITECH-PICC編譯器V8.00PL4或更高版。

　　在網(wǎng)絡(luò )補充版的程序中,關(guān)鍵部分是TMR0的中斷服務(wù)。TMR0每隔278μs左右中斷一次,TMR0的中斷響應即為軟件UART接收和發(fā)送全雙工通信過(guò)程的實(shí)現。通過(guò)Hitech-PICC高效的代碼編譯后,約有150條單字指令代碼,整個(gè)中斷服務(wù)平均用約35個(gè)指令周期,即實(shí)現一路軟件UART在4 MHz工作頻率下占用MCU約12％的運行帶寬。理論上,只要保證MCU留有足夠的運行帶寬給其它任務(wù),在此中斷服務(wù)程序內把接收和發(fā)送的代碼再復制一份或多份（數據結構獨立）,即可實(shí)現多路軟件UART。當然,如果每路的波特率不同,采樣頻率必須是最高波特率的三倍。不同波特率的采樣點(diǎn)間隔獨立調整。

　　此法最大的好處是軟硬件配置極其靈活：接收發(fā)送的引腳可以任意定義;采樣定時(shí)可以用不同的定時(shí)器實(shí)現;利用同一個(gè)定時(shí)采樣可以方便地實(shí)現多路軟件UART等。缺點(diǎn)是：不管有無(wú)數據通信,始終占用MCU運行帶寬;串行通信的波特率不能太高,4 MHz工作的PIC單片機一般能實(shí)現2400bps的全雙工通信。當然,可以通過(guò)提高M(jìn)CU的振蕩頻率來(lái)實(shí)現高波特率通信,當PIC單片機工作在20 MHz時(shí),實(shí)現9600b/s綽綽有余。

2 起始位中斷捕捉、定時(shí)采樣法

　　實(shí)現此法的硬件條件是PIC單片機有外部脈沖下降沿中斷觸發(fā)功能,在中檔以上PIC單片機中有RB0/INT外部中斷腳,CCP1/CCP2脈沖沿捕捉腳,PORTB的第4/5/6/7電平變化中斷腳等都可以滿(mǎn)足。另外需配備一個(gè)定時(shí)器,以定時(shí)中斷方式對接收碼元正確采樣,或發(fā)送串行數據流。其關(guān)鍵的異步接收工作原理簡(jiǎn)介如圖4所示。

圖4

　　設串行數據位寬度為td。起始位到來(lái)時(shí)刻（圖4 A點(diǎn)）的下降沿觸發(fā)一個(gè)中斷并立即響應該中斷。在此中斷服務(wù)中立即關(guān)閉本中斷使能位（后續的數據流變化無(wú)需觸發(fā)中斷）,開(kāi)啟定時(shí)器,使其在 1.5td后產(chǎn)生定時(shí)中斷,用于采樣第一個(gè)數據位（確保S0采樣點(diǎn)落在數據位的中心位置處）;在處理下降沿中斷服務(wù)的最后,再檢測接收端是否還是0電平,以區分窄脈沖干擾。在S0點(diǎn)采樣到第一個(gè)數據位后的所有采樣間隔都是1td,直到收到停止位后,關(guān)閉定時(shí)器中斷,重新開(kāi)放下降沿捕捉中斷,準備接收下一個(gè)字節。

　　異步數據接收和發(fā)送的狀態(tài)機控制流程,除了起始位判斷和定時(shí)時(shí)間參數設置與前述方式不同外,其它幾乎一樣,此處不再重復。

　　此法的好處是可以實(shí)現較高的通信波特率。對于通信不是很頻繁的系統,此軟件UART幾乎不耗MCU運行帶寬,9600b/s接收或發(fā)送在4 MHz運行的PIC單片機上即可輕松實(shí)現;另外,由于下降沿中斷可以喚醒處于睡眠的單片機,故極易實(shí)現通信喚醒的功能。缺點(diǎn)是不能全雙工通信（除非另外單獨用一個(gè)定時(shí)器實(shí)現發(fā)送定時(shí)）,異步接收的引腳必須有下降沿觸發(fā)中斷的能力。

　　上面介紹的兩種方法在實(shí)際產(chǎn)品設計中都得到了很好的驗證,最典型的是紅外線(xiàn)自動(dòng)抄表系統。該系統要求收發(fā)均為38 kHz紅外調制,串行數據1 200bps半雙工通訊。用軟件實(shí)現此UART,并充分利用PIC單片機CCP模塊的脈寬調制PWM輸出38 kHz載波時(shí),在單片機外除了一個(gè)一體化紅外接收頭和一個(gè)紅外發(fā)射二極管,無(wú)需其它任何外圍器件,即可完成所有設計要求,最大程度地減化了硬件設計,降低了成本,提高了系統的可靠性和性能價(jià)格比。

　　以上的側重點(diǎn)是基本原理的介紹,希望對大家有所幫助。在接收數據的可靠性處理方面沒(méi)有太多涉及。有興趣者可以在采樣時(shí)刻到來(lái)時(shí)對數據做多次采樣,以消除干擾誤碼;或有其它處理技巧,歡迎和筆者作進(jìn)一步交流。