PIC單片機(jī)軟件異步串行口的實(shí)現(xiàn)

在用單片機(jī)開發(fā)各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)時(shí),異步串行通信是經(jīng)常要用到的一種通信模式,很多應(yīng)用中還要求實(shí)現(xiàn)多路異步串行通信。大家平時(shí)熟悉的各種廠家的單片機(jī),絕大部分片上只提供一個(gè)硬件UART模塊,利用它可以方便實(shí)現(xiàn)一路串行通訊。PIC系列單片機(jī)也不例外,在其豐富的產(chǎn)品家族成員中,除高端系列（PIC17/18）一些型號(hào)片上帶有兩路硬件UART模塊外,其它大部分型號(hào)片上只有一路UART,一些低端廉價(jià)的PIC單片機(jī)甚至還不帶硬件UART。為了提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比,就要求設(shè)計(jì)工程師用軟件增加實(shí)現(xiàn)一路或多路異步串行通信。很多工程師對(duì)用軟件實(shí)現(xiàn)的UART在可靠性和效率方面持懷疑態(tài)度,其實(shí)關(guān)鍵問題是看軟件采用何種方式來實(shí)現(xiàn)可靠的UART功能。

　　在討論具體實(shí)現(xiàn)方式前,我們先來簡(jiǎn)單回顧一下異步串行通信的格式定義。發(fā)送一個(gè)完整的字節(jié)信息,必須有“起始位”、“若干數(shù)據(jù)位”、“奇偶校驗(yàn)位”和“停止位”;必須定義每位信息的時(shí)間寬度——每秒發(fā)送的信息位個(gè)數(shù),即為“波特率”。單片機(jī)系統(tǒng)中常用的波特率從300～19 200 b/s。當(dāng)波特率為1200b/s時(shí),每個(gè)信息位的時(shí)間寬度為 1/1200≈833μs;無數(shù)據(jù)通信時(shí),數(shù)據(jù)線空閑狀態(tài)應(yīng)該是高電平,“起始位”為低電平,數(shù)據(jù)位低位先發(fā)且后跟奇偶校驗(yàn)位（若有）,“停止位”為高電平,如圖1所示。

圖1

　　按圖1最基本的異步串行通信時(shí)序,軟件實(shí)現(xiàn)UART在不同架構(gòu)的單片機(jī)上有多種方法。其中數(shù)據(jù)接收是關(guān)鍵,因異步通信沒有可參照的時(shí)鐘信號(hào),發(fā)送方隨時(shí)都可能發(fā)送數(shù)據(jù),任何時(shí)刻串行數(shù)據(jù)到來時(shí),系統(tǒng)都應(yīng)該及時(shí)準(zhǔn)確地接收。比較而言,本機(jī)發(fā)送串行數(shù)據(jù)相對(duì)容易,只要對(duì)發(fā)送出去的電平做持續(xù)時(shí)間的定時(shí)即可。按不同的接收技巧并針對(duì)PIC單片機(jī)的特點(diǎn),這里介紹兩種常用且十分可靠的方法。

1 三倍速采樣法

　　三倍速采樣法顧名思義就是以三倍于波特率的頻率對(duì)接收引腳Rx進(jìn)行采樣,保證檢測(cè)到“起始位”,又可以調(diào)整采樣的時(shí)間間隔;將有效數(shù)據(jù)位的采樣點(diǎn)控制在碼元的中間1/3處,最大限度地減少誤碼,提高接收的準(zhǔn)確性。我們把圖1的起始位和部分?jǐn)?shù)據(jù)位放大,如圖2所示,把每個(gè)信息位分成三等份,每等份的時(shí)間寬度設(shè)為ts,以方便分析。

圖2

　　以三倍頻對(duì)信息位進(jìn)行采樣時(shí),每個(gè)信息位都將可能被采樣到三次。當(dāng)處于空閑狀態(tài)并檢測(cè)起始位時(shí),最早檢測(cè)到起始位低電平的時(shí)刻必將落在S0陰影區(qū),雖然每次具體的采樣點(diǎn)會(huì)在此S0陰影區(qū)隨機(jī)變化。檢測(cè)到起始位低電平后,間隔4×ts時(shí)間,正好是第一位數(shù)據(jù)位的中間1/3處（圖2中Ds陰影區(qū)）。此后的數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位的采樣間隔都是3×ts,所有采樣點(diǎn)均落在碼元的中間1/3處,采樣數(shù)據(jù)最可靠。

　　PIC單片機(jī)采用此法實(shí)現(xiàn)軟件UART時(shí),硬件上只要任意定義兩個(gè)I/O引腳,分別初始化成輸入（串行數(shù)據(jù)接收）和輸出（串行數(shù)據(jù)發(fā)送）即可;軟件上只要實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣,定時(shí)時(shí)間間隔在中檔以上有中斷機(jī)制的單片機(jī)上可以用不同的定時(shí)器（TMR0、TMR1、TMR2等）通過定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn),在低檔無中斷的PIC單片機(jī)上可以控制每次主循環(huán)所耗的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于1200 b/s波特率,碼元寬度為833μs,采樣時(shí)間間隔即為278μs。整個(gè)串行接收或發(fā)送是一個(gè)過程控制問題,用狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)最為高效簡(jiǎn)易。圖3給出了串行接收的參考狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移過程。

圖3

　　本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（www.dpj.com.cn）中,介紹了簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言參考源程序。此段程序?qū)崿F(xiàn)1200b/s全雙工串行通信,1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,無校驗(yàn)位,1位停止位,沒有幀錯(cuò)誤等判別。編譯環(huán)境為HITECH-PICC編譯器V8.00PL4或更高版。

　　在網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版的程序中,關(guān)鍵部分是TMR0的中斷服務(wù)。TMR0每隔278μs左右中斷一次,TMR0的中斷響應(yīng)即為軟件UART接收和發(fā)送全雙工通信過程的實(shí)現(xiàn)。通過Hitech-PICC高效的代碼編譯后,約有150條單字指令代碼,整個(gè)中斷服務(wù)平均用約35個(gè)指令周期,即實(shí)現(xiàn)一路軟件UART在4 MHz工作頻率下占用MCU約12％的運(yùn)行帶寬。理論上,只要保證MCU留有足夠的運(yùn)行帶寬給其它任務(wù),在此中斷服務(wù)程序內(nèi)把接收和發(fā)送的代碼再?gòu)?fù)制一份或多份（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨(dú)立）,即可實(shí)現(xiàn)多路軟件UART。當(dāng)然,如果每路的波特率不同,采樣頻率必須是最高波特率的三倍。不同波特率的采樣點(diǎn)間隔獨(dú)立調(diào)整。

　　此法最大的好處是軟硬件配置極其靈活：接收發(fā)送的引腳可以任意定義;采樣定時(shí)可以用不同的定時(shí)器實(shí)現(xiàn);利用同一個(gè)定時(shí)采樣可以方便地實(shí)現(xiàn)多路軟件UART等。缺點(diǎn)是：不管有無數(shù)據(jù)通信,始終占用MCU運(yùn)行帶寬;串行通信的波特率不能太高,4 MHz工作的PIC單片機(jī)一般能實(shí)現(xiàn)2400bps的全雙工通信。當(dāng)然,可以通過提高M(jìn)CU的振蕩頻率來實(shí)現(xiàn)高波特率通信,當(dāng)PIC單片機(jī)工作在20 MHz時(shí),實(shí)現(xiàn)9600b/s綽綽有余。

2 起始位中斷捕捉、定時(shí)采樣法

　　實(shí)現(xiàn)此法的硬件條件是PIC單片機(jī)有外部脈沖下降沿中斷觸發(fā)功能,在中檔以上PIC單片機(jī)中有RB0/INT外部中斷腳,CCP1/CCP2脈沖沿捕捉腳,PORTB的第4/5/6/7電平變化中斷腳等都可以滿足。另外需配備一個(gè)定時(shí)器,以定時(shí)中斷方式對(duì)接收碼元正確采樣,或發(fā)送串行數(shù)據(jù)流。其關(guān)鍵的異步接收工作原理簡(jiǎn)介如圖4所示。

圖4

　　設(shè)串行數(shù)據(jù)位寬度為td。起始位到來時(shí)刻（圖4 A點(diǎn)）的下降沿觸發(fā)一個(gè)中斷并立即響應(yīng)該中斷。在此中斷服務(wù)中立即關(guān)閉本中斷使能位（后續(xù)的數(shù)據(jù)流變化無需觸發(fā)中斷）,開啟定時(shí)器,使其在 1.5td后產(chǎn)生定時(shí)中斷,用于采樣第一個(gè)數(shù)據(jù)位（確保S0采樣點(diǎn)落在數(shù)據(jù)位的中心位置處）;在處理下降沿中斷服務(wù)的最后,再檢測(cè)接收端是否還是0電平,以區(qū)分窄脈沖干擾。在S0點(diǎn)采樣到第一個(gè)數(shù)據(jù)位后的所有采樣間隔都是1td,直到收到停止位后,關(guān)閉定時(shí)器中斷,重新開放下降沿捕捉中斷,準(zhǔn)備接收下一個(gè)字節(jié)。

　　異步數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的狀態(tài)機(jī)控制流程,除了起始位判斷和定時(shí)時(shí)間參數(shù)設(shè)置與前述方式不同外,其它幾乎一樣,此處不再重復(fù)。

　　此法的好處是可以實(shí)現(xiàn)較高的通信波特率。對(duì)于通信不是很頻繁的系統(tǒng),此軟件UART幾乎不耗MCU運(yùn)行帶寬,9600b/s接收或發(fā)送在4 MHz運(yùn)行的PIC單片機(jī)上即可輕松實(shí)現(xiàn);另外,由于下降沿中斷可以喚醒處于睡眠的單片機(jī),故極易實(shí)現(xiàn)通信喚醒的功能。缺點(diǎn)是不能全雙工通信（除非另外單獨(dú)用一個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)發(fā)送定時(shí)）,異步接收的引腳必須有下降沿觸發(fā)中斷的能力。

　　上面介紹的兩種方法在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都得到了很好的驗(yàn)證,最典型的是紅外線自動(dòng)抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求收發(fā)均為38 kHz紅外調(diào)制,串行數(shù)據(jù)1 200bps半雙工通訊。用軟件實(shí)現(xiàn)此UART,并充分利用PIC單片機(jī)CCP模塊的脈寬調(diào)制PWM輸出38 kHz載波時(shí),在單片機(jī)外除了一個(gè)一體化紅外接收頭和一個(gè)紅外發(fā)射二極管,無需其它任何外圍器件,即可完成所有設(shè)計(jì)要求,最大程度地減化了硬件設(shè)計(jì),降低了成本,提高了系統(tǒng)的可靠性和性能價(jià)格比。

　　以上的側(cè)重點(diǎn)是基本原理的介紹,希望對(duì)大家有所幫助。在接收數(shù)據(jù)的可靠性處理方面沒有太多涉及。有興趣者可以在采樣時(shí)刻到來時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)做多次采樣,以消除干擾誤碼;或有其它處理技巧,歡迎和筆者作進(jìn)一步交流。