單片機設計：軟件UART的設計思想

　　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、采用分時切換的方法將一個串口擴展與多個串口設備通信，分時復用的方法成本低, 但只適用于數據量不大的場合, 并且只能由這個單片機主動和多個設備通信，實時性差;③、用軟件模擬的方法擴展串口，其優勢也是成本低、實時性好, 但要占用一些CPU時間。

　　一般的軟件模擬擴展串口方法，使用1個I/O端口、1個INT外部中斷和定時器，該方法擴展的串口有2個缺點，①、由于使用了INT外部中斷，故只能使用2個INT外部中斷擴展2個串口。②、文中的發送和接收數據的效率比較低，占用了CPU的大量時間，不能與其他任務同時進行，所以使用范圍有限。

　　本文提出的模擬串口方法，僅使用2個普通I/O和1個定時器，由于不需要INT的限制，可以擴展出多個串口，且帶FIFO的功能，該方法擴展模擬串口的收發數據在中斷服務中完成，所以非常效率高，一般的單片機都支持定時器中斷，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越高，而價格越來越便宜，本文使用的STC12C1052芯片就具有高速度和低價格，價格僅為每片人民幣3.8元。電子產品的開發設計時，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行傳送，發送端和接收端必須按照相同的字節幀格式和波特率進行通信，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始，使數據線處于邏輯0狀態，用于向接收端表明開始發送數據幀，起到使發送和接收設備實現同步。停止位是字節幀的終止，使數據線處于邏輯1狀態，用于向接收端表明數據幀發送完畢。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I/O端口和1個定時器，利用定時器的定時中斷功能實現精確的波特率定時，發送和接收都在定時中斷的控制之下進行。

　　數據發送的思想是，當啟動字節發送時，通過TxD先發起始位，然后發數據位和奇偶數效驗位，最后再發停止位，發送過程由發送狀態機控制，每次中斷只發送1個位，經過若干個定時中斷完成1個字節幀的發送。

　　數據接收的思想是，當不在字節幀接收過程時，每次定時中斷以3倍的波特率監視RxD的狀態，當其連續3次采樣電平依次為1、0、0時，就認為檢測到了起始位，則開始啟動一次字節幀接收，字節幀接收過程由接收狀態機控制，每次中斷只接收1個位，經過若干個定時中斷完成1個字節幀的接收。

　　為了提高串口的性能，在發送和接收上都實現了FIFO功能，提高通信的實時性。FIFO的長度可以進行自由定義，適應用戶的不同需要。

　　波特率的計算按照計算公式進行，在設置最高波特率時一定要考慮模擬串口程序代碼的執行時間，該定時時間必須大于模擬串口的程序的規定時間。單片機的執行速度越快，則可以實現更高的串口通訊速度。

　　3、軟件UART設計的實現

　　本程序在宏晶科技(深圳)生產的STC12C1052高速單片機上進行運行測試，STC12C1052單片機是單時鐘/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倍計算定時時間，在接收過程中以此定時進行接收起始位的采樣，在發送和接收過程中再3分頻得到標準波特率定時，進行數據發送與接收。

　　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長度

　　sbit RxD1=P1^7; //模擬接收RxD

　　sbit TxD1=P1^6; //模擬發送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，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

　　{

　　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、數據發送子程序

　　該程序過程中，當數據發送狀態結束時，檢測發送FIFO隊列是否為空，若非空則取出發送數據，然后啟動發送狀態;當處于發送狀態時，則按照狀態機的狀態進行起始位、數據位和停止位的發送。

　　void Send()

　　{

　　if(TxdCnt1!=0) //字節發送狀態機

　　{

　　if(TxdCnt1==11) TxD1=0;//發起始位0

　　else if(TxdCnt1>2) //發數據位

　　{ Mtbuf1>>=1; TxD1=CY;}

　　else TxD1=1; //發終止位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; //啟動發送狀態機

　　}

　　}

　　3.4、中斷程序

　　中斷定時時間為波特率定時的1/3，即以3倍的波特率對RxD進行采樣，實現起始位的判別，當起始位到達時啟動接收過程狀態機。將該定時進行3分頻再調用數據的發送和接收過程，進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();} //數據發送

　　}

　　3.5、串口初始化

　　打開定時器的中斷，將定時器的設置為自裝載模式，依照波特率設置定時中斷的定時間隔，啟動定時器，并進行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

　　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個普通I/O引腳和1個定時中斷實現了全雙工串口，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采用了連續3次采樣的判別方法，該方法實現簡單、準確率高;用定時中斷實現了串口數據的發送和接收，并實現了FIFO隊列，使串口發送和接收工作效率高。