單片機設計：軟件UART的設計思想
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目前擴展串口的方法主要有以下方法, ①、采用串口擴展芯片實(shí)現，如ST16C550、ST16C554、SP2538、MAX3110等，雖然成本較高, 但系統的可靠性得到了保證，適用于數據量較大、串口需求較多的系統;②、采用分時(shí)切換的方法將一個(gè)串口擴展與多個(gè)串口設備通信，分時(shí)復用的方法成本低, 但只適用于數據量不大的場(chǎng)合, 并且只能由這個(gè)單片機主動(dòng)和多個(gè)設備通信，實(shí)時(shí)性差;③、用軟件模擬的方法擴展串口，其優(yōu)勢也是成本低、實(shí)時(shí)性好, 但要占用一些CPU時(shí)間。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201709/364418.htm一般的軟件模擬擴展串口方法，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外部中斷擴展2個(gè)串口。②、文中的發(fā)送和接收數據的效率比較低，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，可以擴展出多個(gè)串口，且帶FIFO的功能，該方法擴展模擬串口的收發(fā)數據在中斷服務(wù)中完成，所以非常效率高，一般的單片機都支持定時(shí)器中斷，所以所以該方法在大多數單片機上都可以應用。
對于低速度的單片機(如89S51)可以擴展出低速串口(9600、4800等)，對于高速單片機(如AVR、PIC、C8051、STC12)可以擴展高速串口(如19200、28800、38400、57600等)。目前單片機的處理速度越來(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)設計時(shí)，要求在保證性能的情況下降低硬件成本，軟件模擬擴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，數據以字節為單位的字節幀進(jìn)行傳送，發(fā)送端和接收端必須按照相同的字節幀格式和波特率進(jìn)行通信，其中字節幀格式規定了起始位、數據位、寄偶效驗位、停止位。起始位是字節幀的開(kāi)始，使數據線(xiàn)處于邏輯0狀態(tài)，用于向接收端表明開(kāi)始發(fā)送數據幀，起到使發(fā)送和接收設備實(shí)現同步。停止位是字節幀的終止，使數據線(xiàn)處于邏輯1狀態(tài)，用于向接收端表明數據幀發(fā)送完畢。波特率采用標準速度，如4800、9600、19200、28800、38400、57600等。
2、軟件UART的設計思想
在本設計對硬件要求方面，僅僅占用單片機的任意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。
數據發(fā)送的思想是，當啟動(dòng)字節發(fā)送時(shí)，通過(guò)TxD先發(fā)起始位，然后發(fā)數據位和奇偶數效驗位，最后再發(fā)停止位，發(fā)送過(guò)程由發(fā)送狀態(tài)機控制，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)字節幀的發(fā)送。
數據接收的思想是，當不在字節幀接收過(guò)程時(shí)，每次定時(shí)中斷以3倍的波特率監視RxD的狀態(tài)，當其連續3次采樣電平依次為1、0、0時(shí)，就認為檢測到了起始位，則開(kāi)始啟動(dòng)一次字節幀接收，字節幀接收過(guò)程由接收狀態(tài)機控制，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)現了FIFO功能，提高通信的實(shí)時(shí)性。FIFO的長(cháng)度可以進(jìn)行自由定義，適應用戶(hù)的不同需要。
波特率的計算按照計算公式進(jìn)行，在設置最高波特率時(shí)一定要考慮模擬串口程序代碼的執行時(shí)間，該定時(shí)時(shí)間必須大于模擬串口的程序的規定時(shí)間。單片機的執行速度越快，則可以實(shí)現更高的串口通訊速度。
3、軟件UART設計的實(shí)現
本程序在宏晶科技(深圳)生產(chǎn)的STC12C1052高速單片機上進(jìn)行運行測試，STC12C1052單片機是單時(shí)鐘/機器周期的MCS51內核單片機，與89C2051引腳完全兼容，其工作頻率達35MHz，相當與420MHz的89C2051單片機，每片人民幣3.8元。由于該單片機的高速度，使得軟件擴展串口的方法，更方便實(shí)現高速的串口。
本擴展串口的設計中，STC12C1052使用的晶振頻率為22.1184Mhz，以波特率的3倍計算定時(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分頻得到標準波特率定時(shí)，進(jìn)行數據發(fā)送與接收。
3.1、數據定義
定義模擬串口程序所必須的一些資源，如I/O引腳、波特率、數據緩沖區等。
#define Fosc 22118400 //晶振頻率
#define Baud 38400 //波特率
#define BaudT (Fosc/Baud/3/12)
#define BufLong 16 //FIFO長(cháng)度
sbit RxD1=P1^7; //模擬接收RxD
sbit TxD1=P1^6; //模擬發(fā)送TxD
bit Brxd1,Srxd1;//RxD檢測電平
BYTE Rbuf1[BufLong];//FIFO接收區
BYTE Rptr1,Rnum1;
BYTE Tbuf1[BufLong];//FIFO發(fā)送區
BYTE Tptr1,Tnum1;
BYTE TimCnt1A,TimCnt1B;
BYTE Mtbuf1,Mrbuf1,TxdCnt1,RxdCnt1;
3.2、數據接收子程序
數據接收過(guò)程中，依次存儲RxD的邏輯位形成字節數據，當數據接收完畢且停止位為1時(shí)，表示接收到了有效數據，就將結果存儲到接收FIFO隊列中去。
void Recv()
{
if(RxdCnt1>0) //存數據位8個(gè)
{
Mrbuf1>>=1;
if(RxD1==1) Mrbuf1=Mrbuf1|0x80;
}
RxdCnt1--;
if(RxdCnt1==0&& RxD1==1) //數據接收完畢
{
Rbuf1[Rptr1]=Mrbuf1; //存儲到FIFO隊列
if(++Rptr1>BufLong-1) Rptr1=0;
if(++Rnum1>BufLong) Rnum1=BufLong;
}
}
3.3、數據發(fā)送子程序
該程序過(guò)程中，當數據發(fā)送狀態(tài)結束時(shí)，檢測發(fā)送FIFO隊列是否為空，若非空則取出發(fā)送數據，然后啟動(dòng)發(fā)送狀態(tài);當處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，則按照狀態(tài)機的狀態(tài)進(jìn)行起始位、數據位和停止位的發(fā)送。
void Send()
{
if(TxdCnt1!=0) //字節發(fā)送狀態(tài)機
{
if(TxdCnt1==11) TxD1=0;//發(fā)起始位0
else if(TxdCnt1>2) //發(fā)數據位
{ Mtbuf1>>=1; TxD1=CY;}
else TxD1=1; //發(fā)終止位1
TxdCnt1--;
}
else if(Tnum1>0) //檢測FIFO隊列
{
Tnum1--;
Mtbuf1=Tbuf1[Tptr1]; //讀取FIFO數據
if(++Tptr1>=BufLong) Tptr1=0;
TxdCnt1=11; //啟動(dòng)發(fā)送狀態(tài)機
}
}
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RxD進(jìn)行采樣，實(shí)現起始位的判別，當起始位到達時(shí)啟動(dòng)接收過(guò)程狀態(tài)機。將該定時(shí)進(jìn)行3分頻再調用數據的發(fā)送和接收過(guò)程，進(jìn)行準確波特率下的串口通信。
void Uart() interrupt 1 using 1
{
if(RxdCnt1==0 ) //接收起始識別
{
if(RxD1==0 && Brxd1==0 && Srxd1==1) { RxdCnt1=8; TimCnt1B=0;}
}
Srxd1=Brxd1; Brxd1=RxD1;
if(++TimCnt1B>=3 && RxdCnt1!=0) { TimCnt1B=0; Recv();}//數據接收
if(++TimCnt1A>=3) { TimCnt1A=0; Send();} //數據發(fā)送
}
3.5、串口初始化
打開(kāi)定時(shí)器的中斷，將定時(shí)器的設置為自裝載模式，依照波特率設置定時(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、結束語(yǔ)
本文提出的模擬串口設計方法，其獨特之處在于：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)現了全雙工串口，對硬件的占用較少，具有多可串口擴展能力;在串口接收的起始位判別時(shí)采用了連續3次采樣的判別方法，該方法實(shí)現簡(jiǎn)單、準確率高;用定時(shí)中斷實(shí)現了串口數據的發(fā)送和接收，并實(shí)現了FIFO隊列，使串口發(fā)送和接收工作效率高。
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