基于51系列單片機(jī)的通用軟件UART的實(shí)現(xiàn)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入了32位時(shí)代，8位MCU市場(chǎng)趨于穩(wěn)定，32位的MPU代表著嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向。然而，作為嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用的代表，8位單片機(jī)在家用電器、儀器儀表等領(lǐng)域仍然被廣泛應(yīng)用；而且隨著IC技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的擴(kuò)展能力越來(lái)越強(qiáng)，8位單片機(jī)的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用仍然受到很大重視。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)單片機(jī)的通信能力要求越來(lái)越高，異步通信技術(shù)通信距離遠(yuǎn)、節(jié)約成本、通信可靠，特別是以其通信速度越來(lái)越快的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在分級(jí)、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程通信中，尤其適合單機(jī)轉(zhuǎn)向多機(jī)或聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方向。目前普遍應(yīng)用的MCS-51系列和其他一些專(zhuān)用的單片機(jī)通常只具有一個(gè)UART異步串行通信接口，而在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中（如在多機(jī)通信系統(tǒng)中，主機(jī)既要和從機(jī)通信又要和終端通信）往往需要多個(gè)串行接口。對(duì)于三總線開(kāi)放的單片機(jī)，通常的方法是利用Intel 8251或8250通用同步/異步收發(fā)器（USART）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，這就增加了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的硬件開(kāi)銷(xiāo)和成本。而且有些專(zhuān)用單片機(jī)（如ST62T32B）的三總線是不開(kāi)放的，無(wú)法用通信接口芯片來(lái)擴(kuò)展接口，給多機(jī)通信帶來(lái)困難。本文僅僅利用51單片機(jī)內(nèi)部的擴(kuò)展模塊（一個(gè)I/O端口、一個(gè)定時(shí)器T/C和一個(gè)外部中斷INT）實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的軟件UART，可以以4800、9600、19200的波特率接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，沒(méi)有使用任何外圍器件，通信可靠性高，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，而且軟件使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，具有很好的移植性。該軟件UART已在多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用，工作穩(wěn)定可靠，是一種可以借鑒的通信方案。

1 異步通信簡(jiǎn)介

在異步通信中，數(shù)據(jù)通常是以字符（字節(jié)）為單位組成字符幀進(jìn)行傳送的。字符幀由發(fā)送端一幀一幀的發(fā)送，通過(guò)傳輸線在接收端一幀一幀的接收。發(fā)送端和接收端可以有各自的時(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘彼此獨(dú)立、互不同步。另外，發(fā)送端和接收端通過(guò)字符幀規(guī)定的格式和波特率來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。字符幀和波特率是兩個(gè)重要指標(biāo)，由用戶(hù)根據(jù)實(shí)際情況選擇。

字符幀由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位四部分組成，如圖1所示，各部分的功能和結(jié)構(gòu)為：

起始位  位于字符幀的開(kāi)始位置，占一位，使數(shù)據(jù)線處于space（邏輯0）狀態(tài)，用于向接收設(shè)備表明發(fā)送端開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)位  緊跟起始位之后，根據(jù)字符編碼方式的不同可取5位、6位、7位和8位。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，低位在前，高位在后。如傳送數(shù)據(jù)為ASCII碼，則常取7位。

奇偶校驗(yàn)位  位于數(shù)據(jù)位之后，占一位，用于對(duì)數(shù)據(jù)傳送作正確性檢查。奇偶校驗(yàn)位有三種選擇，即奇、偶和無(wú)校驗(yàn)，由用戶(hù)根據(jù)需要設(shè)定。

停止位  位于字符幀末尾，可占1、1.5和2位，在實(shí)際應(yīng)用中由用戶(hù)根據(jù)需要確定，它對(duì)應(yīng)于mark（邏輯1）狀態(tài)，用于向接收端表明一幀信息發(fā)送完畢[1]。

2 通用軟件UART的設(shè)計(jì)思想

在設(shè)計(jì)的硬件方面該通用軟件UART僅僅使用了51系列單片機(jī)的一個(gè)通用I/O端口、一個(gè)T/C計(jì)數(shù)定時(shí)器和一個(gè)外部中斷INT，最大限度地降低了系統(tǒng)硬件開(kāi)銷(xiāo)。該軟件UART數(shù)據(jù)發(fā)送的設(shè)計(jì)思想是利用單片機(jī)的任意一個(gè)I/O端口作通用軟件UART的發(fā)送端（TxD），通過(guò)T/Cx計(jì)數(shù)定時(shí)器設(shè)置通信波特率，將數(shù)據(jù)幀的起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位依次發(fā)送出去；數(shù)據(jù)接收的設(shè)計(jì)思想是將單片機(jī)的某一個(gè)外部中斷作為數(shù)據(jù)接收端（RxD），并且將該中斷源設(shè)置為下降沿觸發(fā)方式，以利于及時(shí)檢測(cè)到起始位的space（邏輯0）電平，在中斷處理程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，這樣設(shè)計(jì)有利于提高UART的響應(yīng)速度和單片機(jī)的利用率。

UART的波特率和采樣時(shí)鐘是利用T/Cx計(jì)數(shù)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于不同的波特率，向T/Cx計(jì)數(shù)定時(shí)器賦予不同的初值，然后在指定的波特率下，利用軟件實(shí)現(xiàn)UART的并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、每幀數(shù)據(jù)格式的生成、發(fā)送和接收功能。

在本設(shè)計(jì)中，硬件系統(tǒng)采用正當(dāng)頻率為12M的主晶振，T/Cx記錄振蕩頻率12分頻后的脈沖個(gè)數(shù)（即機(jī)器周期個(gè)數(shù)），即每個(gè)機(jī)器周期使T/Cx的計(jì)數(shù)器增加1，直至記滿(mǎn)回零后自動(dòng)產(chǎn)生溢出中斷請(qǐng)求。因此，達(dá)到指定波特率的定時(shí)器初值公式為：

其中， 為定值器初值， 為計(jì)數(shù)器的模值， 為需要計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)[2]-[3]。

表格 1不同波特率對(duì)應(yīng)的定時(shí)器初值

由于該通用軟件UART發(fā)送和接收過(guò)程中使用的是同一個(gè)定時(shí)器，因此是一個(gè)半雙工的軟件UART。在軟件中利用宏定義和條件編譯實(shí)現(xiàn)了根據(jù)用戶(hù)需要對(duì)數(shù)據(jù)幀的格式和波特率進(jìn)行設(shè)置，提高了軟件的可移植性。

3 通用軟件UART的實(shí)現(xiàn)

發(fā)送

發(fā)送過(guò)程采用的是單片機(jī)主動(dòng)控制I/O端口，根據(jù)設(shè)置好的數(shù)據(jù)幀格式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，在發(fā)送過(guò)程中為保證每個(gè)發(fā)送位的發(fā)送時(shí)鐘相同而將其它無(wú)關(guān)中斷關(guān)閉。首先，設(shè)定定時(shí)器為定時(shí)初值，啟動(dòng)定時(shí)器，關(guān)閉其它無(wú)關(guān)中斷，然后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀；發(fā)送完起始位space之后，通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)將移位寄存器中的數(shù)據(jù)按照從低到高的順序發(fā)送出去，同時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位，并在發(fā)送完數(shù)據(jù)位之后發(fā)送出去，最后發(fā)送停止位mark；關(guān)閉定時(shí)器，開(kāi)放中斷，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。發(fā)送流程圖見(jiàn)圖2。

接收

接收過(guò)程利用單片機(jī)的外部中斷實(shí)現(xiàn)。將中斷源的觸發(fā)方式設(shè)置為下降沿觸發(fā)，當(dāng)出現(xiàn)中斷時(shí)在中斷處理程序中接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)放入提前設(shè)定的緩沖區(qū)內(nèi)，等待單片機(jī)將數(shù)據(jù)讀取。在數(shù)據(jù)讀取的過(guò)程中，為了保證數(shù)據(jù)讀取的正確性，必須在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中間進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。在主程序中設(shè)置外部中斷的觸發(fā)方式，并將該中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)以保證連續(xù)接收數(shù)據(jù)，然后等待外部中斷產(chǎn)生；在中斷處理程序中，首先設(shè)置定時(shí)器初值，啟動(dòng)定時(shí)器，關(guān)閉其它無(wú)關(guān)中斷；然后等待一個(gè)半位時(shí)鐘，使采樣點(diǎn)落在第一個(gè)數(shù)據(jù)位的中間位置，接著通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)讀入移位寄存器，同時(shí)計(jì)算奇偶校驗(yàn)位，接收完畢后如果奇偶校驗(yàn)正確則將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)緩沖單元中，否則棄之不用；最后關(guān)閉定時(shí)器，恢復(fù)中斷。接收流程圖見(jiàn)圖3。

在接收和發(fā)送的過(guò)程中需要注意的問(wèn)題是中斷響應(yīng)時(shí)間校準(zhǔn)、計(jì)數(shù)定時(shí)器T/C的溢出校準(zhǔn)和實(shí)時(shí)讀取。為了能夠及時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)定時(shí)器初值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，并且在發(fā)送和接收的過(guò)程中要將無(wú)關(guān)的中斷關(guān)閉。

4 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)的通用軟件UART在多個(gè)工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用，并且經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)使之具有了較好的可移植性，加快了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度，可以應(yīng)用在各種51系列的單片機(jī)中，并且達(dá)到了降低應(yīng)用系統(tǒng)硬件開(kāi)銷(xiāo)、提高單片機(jī)資源利用率的目的。是一種值得推廣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。

參考文獻(xiàn)
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