基于单片机通用引脚的软件UART设计

  引言      
    随着单片机应用技术的不断深入，由单片机构成的多机系统取得了长足的发展，多个单片机之间以串口进行数据传输，构成复杂的主从式通讯网。在多机系统中的有一些单片机承担着复杂的通讯任务，当计算机的串口不能满足需要，就必须对串口进行扩展。如多参数医用监护仪、小区防盗报警系统、RS485总线控制系统等。    
    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的设计思想     
    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。    
    作者在实际应用中已利用该方法在STC12C1052单片机上实现了5个串口的扩展，用于医疗监护仪多个模块数据接收，效果令人满意。随着单片机处理速度的提高，该方法可以替代串口扩展芯片，大大降低系统的硬件成本，由于采样C语言开发，所以可以很方便地移植到AVR、PIC、C8051等高速单片机。

STM32/STM8

意法半导体/ST/STM