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单片机设计:软件UART的设计思想

2013-12-03 10:07
雷本祖
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  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。

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