PIC軟件串行異步通信三倍速采樣法設計

1 串行異步通信的基本協(xié)議

1.1 起止式協(xié)議的原理

起止式異步協(xié)議是串行異步通信的基本協(xié)議，特點(diǎn)是逐個(gè)字符傳輸，并且傳送單個(gè)字符總是以起始位開(kāi)始，停止位結束，字符之間沒(méi)有固定的時(shí)間間隔要求，它的數據格式是靠起始位和停止位來(lái)實(shí)現字符界定的，故稱(chēng)為起止式協(xié)議。

起止式協(xié)議的格式定義為：對于一個(gè)完整的字符信息，必須包括起始位、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為300 bit/s～19200 bit/s。當波特率為1200 bit/s時(shí)，每個(gè)信息位的時(shí)間寬度為1/1200≈833(us)；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 起止式串行異步通信的格式

1.2 起止式協(xié)議的優(yōu)劣

起止式協(xié)議是按字符傳輸的，每傳輸一個(gè)字符，就用起始位來(lái)通知收方，以此來(lái)重新核對收發(fā)雙方同步。若接收設備和發(fā)送設備兩者的時(shí)鐘頻率略有偏差，這也不會(huì )因偏差的累積而導致錯位，加之字符之間的空閑位也為這種偏差提供一種緩沖，所以該異步串行通信的可靠性高。但由于要在每個(gè)字符中加上起始位和停止位這樣一些附加位，使得傳輸效率變低，只有約80％。因此，該通信協(xié)議一般用在數據速率較慢的場(chǎng)合(小于19.2 kbit/s)。在高速傳送時(shí)，一般要采用同步協(xié)議。

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)，下面介紹一種常用且十分可靠的方法——三倍速采樣法。

2 三倍速采樣法

2.1 三倍速采樣法的實(shí)現

三倍速采樣法就是以3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。將圖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t ，以便于分析。

圖2 三倍速采樣法格式

以三倍頻對信息位進(jìn)行采樣時(shí)，每個(gè)信息位都可能被采樣到3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4ts時(shí)間，正好是第1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3ts ，所有采樣點(diǎn)均落在碼元的中問(wèn)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)，硬件上只需要任意定義兩個(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 bit/s波特率，碼元寬度為833us，采樣時(shí)間間隔即為278us。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 狀態(tài)機轉移流程

接收端空閑狀態(tài)為高電平，當收到低電平確認為起始位后，間隔4ts采樣第1個(gè)數據位，然后每間隔3ts采樣其它數據位，最后接收高電平確認停止位，數據接收完后回到空閑狀態(tài)。如果起始位或停止位確認不對，程序均轉入幀錯誤執行，回到空閑狀態(tài)重新接收。

2.2 三倍速采樣法實(shí)際應用

文中對中檔單片機PIC12F675進(jìn)行了軟件異步串行通信設計，在程序設計中，關(guān)鍵部分是TMR0的中斷服務(wù)。當通信波特率為1200 bit/S時(shí)，TMR0采用278us左右中斷一次，TMR0的中斷響應就為軟件UART接收和發(fā)送通信過(guò)程的實(shí)現。通過(guò)MPLAB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，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，通信過(guò)程比較可靠。理論上，只要保證MCU留有足夠的運行帶寬給其他任務(wù)，在此中斷服務(wù)程序內把接收和發(fā)送的代碼再復制1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3倍，不同波特率的采樣點(diǎn)間隔要獨立調整。

該方法還在實(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。該系統采用38 kHz紅外調制，波特率為1200 bit/s的半雙工串行異步通信。用軟件實(shí)現此UART，并利用PIC單片機CCP模塊的PWM輸出38 kHz載波，在單片機外只須一個(gè)一體化紅外接收頭和一個(gè)紅外發(fā)射二極管，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?xún)r(jià)比。

3 結束語(yǔ)

綜上所述，三倍速采樣法最大的好處是軟硬件配置靈活、經(jīng)濟可靠，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，無(wú)需復雜的外圍電路，即可實(shí)現可靠的串行異步通信。但也有些不足，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頻率工作的PIC單片機一般只能實(shí)現2400 bit/s的全雙工通信。為此，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，比如PIC單片機工作在20 MHz時(shí)，就可實(shí)現9600 bit/s；而且其通信可靠性可通過(guò)在采樣時(shí)刻多次采樣、多種校驗等方法得到進(jìn)一步提高。