PIC 單片機(jī)軟件異步串行口實(shí)現(xiàn)技巧

　　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)充版中，介紹了簡單的C語言參考源程序。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)送的代碼再復(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。

　　簡單的C語言參源程序如下：

　　#i nclude //PIC單片機(jī)通用頭文件，實(shí)際型號(hào)為16F84

　　__CONFIG(XT | PROTECT | PWRTEN | WDTEN);//程序中設(shè)定配置信息

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　　//定義軟件UART發(fā)送/接收引腳

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　　#define RX_PIN RB0 //串行接收腳

　　#define TX_PIN RB1 //串行發(fā)送腳

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　　//定義軟件UART狀態(tài)機(jī)控制字

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　　#define RS_IDLE 0 //空閑

　　#define RS_DATA_BIT 1 //數(shù)據(jù)位

　　#define RS_STOP_BIT 2 //停止位

　　#define RS_STOP_END 3 //停止位結(jié)束

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　　//定義軟件UART采樣頻率

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　　#define OSC_FREQ 4000 //單片機(jī)工作頻率(單位：KHz)

　　#define BAUDRATE 1200 //通訊波特率

　　#define TMR0PRE 2 //TMR0預(yù)分頻比1:2

　　#define TMR0CONST 117 //256 - OSC_FREQ*1000/TMR0PRE/4/(BAUDRATE*3)

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　　// 定義函數(shù)類型

　　void UART_Out(void);

　　void UART_In(void);

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　　// 定義位變量

　　bit rsTxBusy; //串行發(fā)送忙標(biāo)志

　　//定義串行發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　struct {

　　unsigned char state; //發(fā)送狀態(tài)機(jī)控制單元

　　unsigned char sliceCount; //波特率控制

　　unsigned char shiftBuff; //字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送移位寄存器

　　unsigned char shiftCount; //字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送移位計(jì)數(shù)器

　　} rsTx;

　　//定義串行接收的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　struct {

　　unsigned char state; //接收狀態(tài)機(jī)控制單元

　　unsigned char sliceCount; //波特率(采樣點(diǎn))控制

　　unsigned char shiftBuff; //字節(jié)數(shù)據(jù)接收移位寄存器

　　unsigned char shiftCount; //字節(jié)數(shù)據(jù)接收移位計(jì)數(shù)器

　　unsigned char dataBuff[8]; //接收數(shù)據(jù)FIFO緩沖隊(duì)列

　　unsigned char putPtr, getPtr;//FIFO隊(duì)列存放/讀取指針

　　} rsRx;

　　//用于串行發(fā)送的變量定義

　　unsigned char outBuff[10]; //發(fā)送隊(duì)列

　　unsigned char outPtr, //發(fā)送隊(duì)列指針

　　outTotal, //發(fā)送的字節(jié)總數(shù)

　　chkSum; //發(fā)送的校驗(yàn)碼

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　　// 主程序

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　　void main(void)

　　{

　　PORTA = 0;

　　PORTB = 0;

　　TRISB = 0b01; //輸入輸出定義

　　OPTION = 0b10000000; //TMR0選擇內(nèi)部指令周期計(jì)數(shù)

　　//TMR0預(yù)分頻 1:2

　　rsRx.state = RS_IDLE; //初始化接收狀態(tài)

　　rsTxBusy = 0; //發(fā)送空閑

　　INTCON = 0b00100000; //T0IE使能

　　GIE = 1; //打開中斷

　　while(1) { //程序主循環(huán)

　　asm("clrwdt"); //清看門狗

　　UART_In(); //接收串行數(shù)據(jù)

　　UART_Out(); //發(fā)送串行數(shù)據(jù)

　　}

　　}

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　　// 查詢?cè)诮邮誇IFO隊(duì)列中是否有新數(shù)據(jù)到

　　//然后解讀數(shù)據(jù)

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　　void UART_In(void)

　　{

　　unsigned char data1;

　　if (rsRx.putPtr==rsRx.getPtr)

　　return; //如果讀取和存放的指針相同，則隊(duì)列為空

　　data1 = rsRx.dataBuff[rsRx.getPtr]; //讀取1個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)

　　rsRx.getPtr++; //調(diào)整讀取指針到下一位置

　　rsRx.getPtr &= 0x07; //考慮環(huán)形隊(duì)列回繞

　　//此處為數(shù)據(jù)解讀分析，略

　　}

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　　// 軟件UART發(fā)送數(shù)據(jù)

　　//數(shù)據(jù)在outBuff中,outTotal為總字節(jié)數(shù)

　　//=====================================================================

　　void UART_Out(void)

　　{

　　if (rsTxBusy==1)

　　return; //正處于移位發(fā)送忙

　　//可以發(fā)送新數(shù)據(jù)

　　if (outTotal) { //如果有字節(jié)要發(fā)送

　　rsTx.shiftBuff = outBuff[outPtr++]; //取字節(jié)到發(fā)送移位寄存器

　　rsTxBusy = 1; //置發(fā)送忙標(biāo)志，啟動(dòng)發(fā)送

　　outTotal--; //字節(jié)計(jì)數(shù)器減1

　　}

　　}

　　//===================================================================

　　// 中斷服務(wù)程序

　　//===================================================================

　　void interrupt isr(void)

　　{

　　//利用TMR0 定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)全雙工軟件UART

　　if (T0IE && T0IF) {

　　T0IF = 0; //清TMR0中斷標(biāo)志

　　//實(shí)現(xiàn)串行接收 RX 狀態(tài)機(jī)控制

　　switch (rsRx.state) { //判當(dāng)前接收狀態(tài)

　　case RS_IDLE:

　　//當(dāng)前狀態(tài)為"空閑", 唯一要做的就是判"起始位"出現(xiàn)

　　if (RX_PIN==0) { //如果接收到低電平

　　rsRx.sliceCount = 4; //準(zhǔn)備4*Ts時(shí)間間隔

　　rsRx.shiftCount = 8; //總共接收8位數(shù)據(jù)位

　　//改變此數(shù)值可以實(shí)現(xiàn)任意位數(shù)的數(shù)據(jù)接收

　　rsRx.state = RS_DATA_BIT; //切換到數(shù)據(jù)位接收狀態(tài)

　　}

　　break;

　　case RS_DATA_BIT:

　　//當(dāng)前狀態(tài)為"數(shù)據(jù)接收"

　　if (--rsRx.sliceCount==0) { //等采樣時(shí)間到

　　rsRx.shiftBuff >>= 1; //接收移位寄存器右移1位

　　if (RX_PIN) rsRx.shiftBuff|=0x80; //保存最新收到的數(shù)據(jù)位

　　rsRx.sliceCount = 3; //下次采樣間隔為3*Ts

　　if (--rsRx.shiftCount==0) { //已經(jīng)收到8位數(shù)據(jù)位?

　　//保存數(shù)據(jù)字節(jié)到FIFO緩沖隊(duì)列

　　rsRx.dataBuff[rsRx.putPtr] = rsRx.shiftBuff;

　　//隊(duì)列存放指針調(diào)整，最多8個(gè)字節(jié)緩沖

　　rsRx.putPtr = (rsRx.putPtr+1) & 0x07;

　　//轉(zhuǎn)去下個(gè)狀態(tài)，判停止位

　　rsRx.state = RS_STOP_BIT;

　　}

　　}

　　break;

　　case RS_STOP_BIT:

　　//當(dāng)前狀態(tài)為停止位判別(此程序沒有判別)

　　if (--rsRx.sliceCount==0) { //等采樣時(shí)間到

　　//此處可以判RX_PIN是否為1

　　rsRx.state = RS_IDLE; //復(fù)位接收過程

　　}

　　break;

　　default:

　　//異常處理

　　rsRx.state = RS_IDLE; //復(fù)位接收過程

　　}

　　//實(shí)現(xiàn)串行發(fā)送 TX 狀態(tài)機(jī)控制

　　switch (rsTx.state) { //判當(dāng)前發(fā)送狀態(tài)

　　case RS_IDLE: //發(fā)送起始位

　　if (rsTxBusy) { //如果發(fā)送啟動(dòng)

　　TX_PIN = 0; //發(fā)出起始位低電平

　　rsTx.sliceCount = 3; //持續(xù)時(shí)間3*Ts

　　rsTx.shiftCount = 8; //數(shù)據(jù)位數(shù)為8位

　　rsTx.state = RS_DATA_BIT; //轉(zhuǎn)去下一狀態(tài)

　　} else TX_PIN = 1; //如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送則保證數(shù)據(jù)線為空閑

　　break;

　　case RS_DATA_BIT: //發(fā)送8位數(shù)據(jù)位

　　if (--rsTx.sliceCount==0) { //碼元寬度定時(shí)到

　　if (rsTx.shiftBuff & 0x01)//看數(shù)據(jù)位是0還是1

　　TX_PIN = 1; //發(fā)送1

　　else

　　TX_PIN = 0; //發(fā)送0

　　rsTx.shiftBuff >>= 1; //準(zhǔn)備下次數(shù)據(jù)位發(fā)送

　　rsTx.sliceCount = 3; //數(shù)據(jù)位寬度為3*Ts

　　if (--rsTx.shiftCount==0) {

　　//8位數(shù)據(jù)位發(fā)送結(jié)束，轉(zhuǎn)去發(fā)送停止位

　　rsTx.state = RS_STOP_BIT;

　　}

　　}

　　break;

　　case RS_STOP_BIT: //發(fā)送1位停止位

　　if (--rsTx.sliceCount==0) { //等數(shù)據(jù)位發(fā)送結(jié)束

　　TX_PIN = 1; //發(fā)送停止位高電平

　　rsTx.sliceCount = 9; //持續(xù)寬度9*Ts

　　//額外考慮字節(jié)連續(xù)發(fā)送的時(shí)間間隔

　　rsTx.state = RS_STOP_END; //轉(zhuǎn)停止位寬度延時(shí)

　　}

　　break;

　　case RS_STOP_END: //等待停止位時(shí)間寬度結(jié)束

　　if (--rsTx.sliceCount==0) { //如果停止位結(jié)束時(shí)間到

　　rsTxBusy = 0; //一個(gè)字節(jié)發(fā)送過程結(jié)束，清發(fā)送忙標(biāo)志

　　rsTx.state = RS_IDLE; //復(fù)位發(fā)送過程

　　}

　　break;

　　default:

　　// 異常處理

　　rsTx.state = RS_IDLE; //復(fù)位發(fā)送過程

　　}

　　TMR0 += TMR0CONST; //重載TMR0，實(shí)現(xiàn)下次定時(shí)中斷

　　}

　　}