单片机设计:软件UART的设计思想

2017-09-14 09:03:21来源: ofweek 关键字:单片机  软件UART  设计思想

  目前扩展串口的方法主要有以下方法, ①、采用串口扩展芯片实现,如ST16C550、ST16C554、SP2538、MAX3110等,虽然成本较高, 但系统的可靠性得到了保证,适用于数据量较大、串口需求较多的系统;②、采用分时切换的方法将一个串口扩展与多个串口设备通信,分时复用的方法成本低, 但只适用于数据量不大的场合, 并且只能由这个单片机主动和多个设备通信,实时性差;③、用软件模拟的方法扩展串口,其优势也是成本低、实时性好, 但要占用一些CPU时间。

  一般的软件模拟扩展串口方法,使用1个I/O端口、1个INT外部中断和定时器,该方法扩展的串口有2个缺点,①、由于使用了INT外部中断,故只能使用2个INT外部中断扩展2个串口。②、文中的发送和接收数据的效率比较低,占用了CPU的大量时间,不能与其他任务同时进行,所以使用范围有限。

  本文提出的模拟串口方法,仅使用2个普通I/O和1个定时器,由于不需要INT的限制,可以扩展出多个串口,且带FIFO的功能,该方法扩展模拟串口的收发数据在中断服务中完成,所以非常效率高,一般的单片机都支持定时器中断,所以所以该方法在大多数单片机上都可以应用。

  对于低速度的单片机(如89S51)可以扩展出低速串口(9600、4800等),对于高速单片机(如AVR、PIC、C8051、STC12)可以扩展高速串口(如19200、28800、38400、57600等)。目前单片机的处理速度越来越高,而价格越来越便宜,本文使用的STC12C1052芯片就具有高速度和低价格,价格仅为每片人民币3.8元。电子产品的开发设计时,要求在保证性能的情况下降低硬件成本,软件模拟扩展串口提供了一种降低成本的好方法。

  1、串口通讯原理

  在串口的异步通信中,数据以字节为单位的字节帧进行传送,发送端和接收端必须按照相同的字节帧格式和波特率进行通信,其中字节帧格式规定了起始位、数据位、寄偶效验位、停止位。起始位是字节帧的开始,使数据线处于逻辑0状态,用于向接收端表明开始发送数据帧,起到使发送和接收设备实现同步。停止位是字节帧的终止,使数据线处于逻辑1状态,用于向接收端表明数据帧发送完毕。波特率采用标准速度,如4800、9600、19200、28800、38400、57600等。

  2、软件UART设计思想

  在本设计对硬件要求方面,仅仅占用单片机的任意2个I/O端口和1个定时器,利用定时器的定时中断功能实现精确的波特率定时,发送和接收都在定时中断的控制之下进行。

  数据发送的思想是,当启动字节发送时,通过TxD先发起始位,然后发数据位和奇偶数效验位,最后再发停止位,发送过程由发送状态机控制,每次中断只发送1个位,经过若干个定时中断完成1个字节帧的发送。

  数据接收的思想是,当不在字节帧接收过程时,每次定时中断以3倍的波特率监视RxD的状态,当其连续3次采样电平依次为1、0、0时,就认为检测到了起始位,则开始启动一次字节帧接收,字节帧接收过程由接收状态机控制,每次中断只接收1个位,经过若干个定时中断完成1个字节帧的接收。

  为了提高串口的性能,在发送和接收上都实现了FIFO功能,提高通信的实时性。FIFO的长度可以进行自由定义,适应用户的不同需要。

  波特率的计算按照计算公式进行,在设置最高波特率时一定要考虑模拟串口程序代码的执行时间,该定时时间必须大于模拟串口的程序的规定时间。单片机的执行速度越快,则可以实现更高的串口通讯速度。

  3、软件UART设计的实现

  本程序在宏晶科技(深圳)生产的STC12C1052高速单片机上进行运行测试,STC12C1052单片机是单时钟/机器周期的MCS51内核单片机,与89C2051引脚完全兼容,其工作频率达35MHz,相当与420MHz的89C2051单片机,每片人民币3.8元。由于该单片机的高速度,使得软件扩展串口的方法,更方便实现高速的串口。

  本扩展串口的设计中,STC12C1052使用的晶振频率为22.1184Mhz,以波特率的3倍计算定时时间,在接收过程中以此定时进行接收起始位的采样,在发送和接收过程中再3分频得到标准波特率定时,进行数据发送与接收。

  3.1、数据定义

  定义模拟串口程序所必须的一些资源,如I/O引脚、波特率、数据缓冲区等。

  #define Fosc 22118400 //晶振频率

  #define Baud 38400 //波特率

  #define BaudT (Fosc/Baud/3/12)

  #define BufLong 16 //FIFO长度

  sbit RxD1=P1^7; //模拟接收RxD

  sbit TxD1=P1^6; //模拟发送TxD

  bit Brxd1,Srxd1;//RxD检测电平

  BYTE Rbuf1[BufLong];//FIFO接收区

  BYTE Rptr1,Rnum1;

  BYTE Tbuf1[BufLong];//FIFO发送区

  BYTE Tptr1,Tnum1;

  BYTE TimCnt1A,TimCnt1B;

  BYTE Mtbuf1,Mrbuf1,TxdCnt1,RxdCnt1;

  3.2、数据接收子程序

  数据接收过程中,依次存储RxD的逻辑位形成字节数据,当数据接收完毕且停止位为1时,表示接收到了有效数据,就将结果存储到接收FIFO队列中去。

  void Recv()

  {

  if(RxdCnt1>0) //存数据位8个

  {

  Mrbuf1>>=1;

  if(RxD1==1) Mrbuf1=Mrbuf1|0x80;

  }

  RxdCnt1--;

  if(RxdCnt1==0&& RxD1==1) //数据接收完毕

  {

  Rbuf1[Rptr1]=Mrbuf1; //存储到FIFO队列

  if(++Rptr1>BufLong-1) Rptr1=0;

  if(++Rnum1>BufLong) Rnum1=BufLong;

  }

  }

  3.3、数据发送子程序

  该程序过程中,当数据发送状态结束时,检测发送FIFO队列是否为空,若非空则取出发送数据,然后启动发送状态;当处于发送状态时,则按照状态机的状态进行起始位、数据位和停止位的发送。

  void Send()

  {

  if(TxdCnt1!=0) //字节发送状态机

  {

  if(TxdCnt1==11) TxD1=0;//发起始位0

  else if(TxdCnt1>2) //发数据位

  { Mtbuf1>>=1; TxD1=CY;}

  else TxD1=1; //发终止位1

  TxdCnt1--;

  }

  else if(Tnum1>0) //检测FIFO队列

  {

  Tnum1--;

  Mtbuf1=Tbuf1[Tptr1]; //读取FIFO数据

  if(++Tptr1>=BufLong) Tptr1=0;

  TxdCnt1=11; //启动发送状态机

  }

  }

  3.4、中断程序

  中断定时时间为波特率定时的1/3,即以3倍的波特率对RxD进行采样,实现起始位的判别,当起始位到达时启动接收过程状态机。将该定时进行3分频再调用数据的发送和接收过程,进行准确波特率下的串口通信。

  void Uart() interrupt 1 using 1

  {

  if(RxdCnt1==0 ) //接收起始识别

  {

  if(RxD1==0 && Brxd1==0 && Srxd1==1) { RxdCnt1=8; TimCnt1B=0;}

  }

  Srxd1=Brxd1; Brxd1=RxD1;

  if(++TimCnt1B>=3 && RxdCnt1!=0) { TimCnt1B=0; Recv();}//数据接收

  if(++TimCnt1A>=3) { TimCnt1A=0; Send();} //数据发送

  }

  3.5、串口初始化

  打开定时器的中断,将定时器的设置为自装载模式,依照波特率设置定时中断的定时间隔,启动定时器,并进行UART各变量的初始化。

  void IniUart()

  {

  IE="0x82"; TMOD="0x22";

  TH0=-BaudT; TL0=-BaudT; TR0=1;

  Rptr1=0;Rnum1=0;Tptr1=0;Tnum1=0;

  }

  4、结束语

  本文提出的模拟串口设计方法,其独特之处在于:仅仅使用任意2个普通I/O引脚和1个定时中断实现了全双工串口,对硬件的占用较少,具有多可串口扩展能力;在串口接收的起始位判别时采用了连续3次采样的判别方法,该方法实现简单、准确率高;用定时中断实现了串口数据的发送和接收,并实现了FIFO队列,使串口发送和接收工作效率高。


关键字:单片机  软件UART  设计思想

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2017091434419.html
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北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

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