PIC 單片機軟件異步串行口實(shí)現技巧

　　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。

　　簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言參源程序如下：

　　#i nclude //PIC單片機通用頭文件，實(shí)際型號為16F84

　　__CONFIG(XT | PROTECT | PWRTEN | WDTEN);//程序中設定配置信息

　　//===========================

　　//定義軟件UART發(fā)送/接收引腳

　　//===========================

　　#define RX_PIN RB0 //串行接收腳

　　#define TX_PIN RB1 //串行發(fā)送腳

　　//===========================

　　//定義軟件UART狀態(tài)機控制字

　　//===========================

　　#define RS_IDLE 0 //空閑

　　#define RS_DATA_BIT 1 //數據位

　　#define RS_STOP_BIT 2 //停止位

　　#define RS_STOP_END 3 //停止位結束

　　//===========================

　　//定義軟件UART采樣頻率

　　//===========================

　　#define OSC_FREQ 4000 //單片機工作頻率(單位：KHz)

　　#define BAUDRATE 1200 //通訊波特率

　　#define TMR0PRE 2 //TMR0預分頻比1:2

　　#define TMR0CONST 117 //256 - OSC_FREQ*1000/TMR0PRE/4/(BAUDRATE*3)

　　//===================================================================

　　// 定義函數類(lèi)型

　　void UART_Out(void);

　　void UART_In(void);

　　//===================================================================

　　// 定義位變量

　　bit rsTxBusy; //串行發(fā)送忙標志

　　//定義串行發(fā)送的數據結構

　　struct {

　　unsigned char state; //發(fā)送狀態(tài)機控制單元

　　unsigned char sliceCount; //波特率控制

　　unsigned char shiftBuff; //字節數據發(fā)送移位寄存器

　　unsigned char shiftCount; //字節數據發(fā)送移位計數器

　　} rsTx;

　　//定義串行接收的數據結構

　　struct {

　　unsigned char state; //接收狀態(tài)機控制單元

　　unsigned char sliceCount; //波特率(采樣點(diǎn))控制

　　unsigned char shiftBuff; //字節數據接收移位寄存器

　　unsigned char shiftCount; //字節數據接收移位計數器

　　unsigned char dataBuff[8]; //接收數據FIFO緩沖隊列

　　unsigned char putPtr, getPtr;//FIFO隊列存放/讀取指針

　　} rsRx;

　　//用于串行發(fā)送的變量定義

　　unsigned char outBuff[10]; //發(fā)送隊列

　　unsigned char outPtr, //發(fā)送隊列指針

　　outTotal, //發(fā)送的字節總數

　　chkSum; //發(fā)送的校驗碼

　　//=====================================================================

　　// 主程序

　　//=====================================================================

　　void main(void)

　　{

　　PORTA = 0;

　　PORTB = 0;

　　TRISB = 0b01; //輸入輸出定義

　　OPTION = 0b10000000; //TMR0選擇內部指令周期計數

　　//TMR0預分頻 1:2

　　rsRx.state = RS_IDLE; //初始化接收狀態(tài)

　　rsTxBusy = 0; //發(fā)送空閑

　　INTCON = 0b00100000; //T0IE使能

　　GIE = 1; //打開(kāi)中斷

　　while(1) { //程序主循環(huán)

　　asm("clrwdt"); //清看門(mén)狗

　　UART_In(); //接收串行數據

　　UART_Out(); //發(fā)送串行數據

　　}

　　}

　　//=====================================================================

　　// 查詢(xún)在接收FIFO隊列中是否有新數據到

　　//然后解讀數據

　　//=====================================================================

　　void UART_In(void)

　　{

　　unsigned char data1;

　　if (rsRx.putPtr==rsRx.getPtr)

　　return; //如果讀取和存放的指針相同，則隊列為空

　　data1 = rsRx.dataBuff[rsRx.getPtr]; //讀取1個(gè)數據字節

　　rsRx.getPtr++; //調整讀取指針到下一位置

　　rsRx.getPtr &= 0x07; //考慮環(huán)形隊列回繞

　　//此處為數據解讀分析，略

　　}

　　//=====================================================================

　　// 軟件UART發(fā)送數據

　　//數據在outBuff中,outTotal為總字節數

　　//=====================================================================

　　void UART_Out(void)

　　{

　　if (rsTxBusy==1)

　　return; //正處于移位發(fā)送忙

　　//可以發(fā)送新數據

　　if (outTotal) { //如果有字節要發(fā)送

　　rsTx.shiftBuff = outBuff[outPtr++]; //取字節到發(fā)送移位寄存器

　　rsTxBusy = 1; //置發(fā)送忙標志，啟動(dòng)發(fā)送

　　outTotal--; //字節計數器減1

　　}

　　}

　　//===================================================================

　　// 中斷服務(wù)程序

　　//===================================================================

　　void interrupt isr(void)

　　{

　　//利用TMR0 定時(shí)中斷實(shí)現全雙工軟件UART

　　if (T0IE && T0IF) {

　　T0IF = 0; //清TMR0中斷標志

　　//實(shí)現串行接收 RX 狀態(tài)機控制

　　switch (rsRx.state) { //判當前接收狀態(tài)

　　case RS_IDLE:

　　//當前狀態(tài)為"空閑", 唯一要做的就是判"起始位"出現

　　if (RX_PIN==0) { //如果接收到低電平

　　rsRx.sliceCount = 4; //準備4*Ts時(shí)間間隔

　　rsRx.shiftCount = 8; //總共接收8位數據位

　　//改變此數值可以實(shí)現任意位數的數據接收

　　rsRx.state = RS_DATA_BIT; //切換到數據位接收狀態(tài)

　　}

　　break;

　　case RS_DATA_BIT:

　　//當前狀態(tài)為"數據接收"

　　if (--rsRx.sliceCount==0) { //等采樣時(shí)間到

　　rsRx.shiftBuff >>= 1; //接收移位寄存器右移1位

　　if (RX_PIN) rsRx.shiftBuff|=0x80; //保存最新收到的數據位

　　rsRx.sliceCount = 3; //下次采樣間隔為3*Ts

　　if (--rsRx.shiftCount==0) { //已經(jīng)收到8位數據位?

　　//保存數據字節到FIFO緩沖隊列

　　rsRx.dataBuff[rsRx.putPtr] = rsRx.shiftBuff;

　　//隊列存放指針調整，最多8個(gè)字節緩沖

　　rsRx.putPtr = (rsRx.putPtr+1) & 0x07;

　　//轉去下個(gè)狀態(tài)，判停止位

　　rsRx.state = RS_STOP_BIT;

　　}

　　}

　　break;

　　case RS_STOP_BIT:

　　//當前狀態(tài)為停止位判別(此程序沒(méi)有判別)

　　if (--rsRx.sliceCount==0) { //等采樣時(shí)間到

　　//此處可以判RX_PIN是否為1

　　rsRx.state = RS_IDLE; //復位接收過(guò)程

　　}

　　break;

　　default:

　　//異常處理

　　rsRx.state = RS_IDLE; //復位接收過(guò)程

　　}

　　//實(shí)現串行發(fā)送 TX 狀態(tài)機控制

　　switch (rsTx.state) { //判當前發(fā)送狀態(tài)

　　case RS_IDLE: //發(fā)送起始位

　　if (rsTxBusy) { //如果發(fā)送啟動(dòng)

　　TX_PIN = 0; //發(fā)出起始位低電平

　　rsTx.sliceCount = 3; //持續時(shí)間3*Ts

　　rsTx.shiftCount = 8; //數據位數為8位

　　rsTx.state = RS_DATA_BIT; //轉去下一狀態(tài)

　　} else TX_PIN = 1; //如果沒(méi)有數據發(fā)送則保證數據線(xiàn)為空閑

　　break;

　　case RS_DATA_BIT: //發(fā)送8位數據位

　　if (--rsTx.sliceCount==0) { //碼元寬度定時(shí)到

　　if (rsTx.shiftBuff & 0x01)//看數據位是0還是1

　　TX_PIN = 1; //發(fā)送1

　　else

　　TX_PIN = 0; //發(fā)送0

　　rsTx.shiftBuff >>= 1; //準備下次數據位發(fā)送

　　rsTx.sliceCount = 3; //數據位寬度為3*Ts

　　if (--rsTx.shiftCount==0) {

　　//8位數據位發(fā)送結束，轉去發(fā)送停止位

　　rsTx.state = RS_STOP_BIT;

　　}

　　}

　　break;

　　case RS_STOP_BIT: //發(fā)送1位停止位

　　if (--rsTx.sliceCount==0) { //等數據位發(fā)送結束

　　TX_PIN = 1; //發(fā)送停止位高電平

　　rsTx.sliceCount = 9; //持續寬度9*Ts

　　//額外考慮字節連續發(fā)送的時(shí)間間隔

　　rsTx.state = RS_STOP_END; //轉停止位寬度延時(shí)

　　}

　　break;

　　case RS_STOP_END: //等待停止位時(shí)間寬度結束

　　if (--rsTx.sliceCount==0) { //如果停止位結束時(shí)間到

　　rsTxBusy = 0; //一個(gè)字節發(fā)送過(guò)程結束，清發(fā)送忙標志

　　rsTx.state = RS_IDLE; //復位發(fā)送過(guò)程

　　}

　　break;

　　default:

　　// 異常處理

　　rsTx.state = RS_IDLE; //復位發(fā)送過(guò)程

　　}

　　TMR0 += TMR0CONST; //重載TMR0，實(shí)現下次定時(shí)中斷

　　}

　　}