PIC軟件串行異步通信三倍速采樣法設(shè)計(jì)
1 串行異步通信的基本協(xié)議
1.1 起止式協(xié)議的原理
起止式異步協(xié)議是串行異步通信的基本協(xié)議,特點(diǎn)是逐個(gè)字符傳輸,并且傳送單個(gè)字符總是以起始位開(kāi)始,停止位結(jié)束,字符之間沒(méi)有固定的時(shí)間間隔要求,它的數(shù)據(jù)格式是靠起始位和停止位來(lái)實(shí)現(xiàn)字符界定的,故稱為起止式協(xié)議。
起止式協(xié)議的格式定義為:對(duì)于一個(gè)完整的字符信息,必須包括起始位、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)中常用的波特率為300 bit/s~19200 bit/s。當(dāng)波特率為1200 bit/s時(shí),每個(gè)信息位的時(shí)間寬度為1/1200≈833(us);無(wú)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 起止式串行異步通信的格式
1.2 起止式協(xié)議的優(yōu)劣
起止式協(xié)議是按字符傳輸?shù)模總鬏斠粋€(gè)字符,就用起始位來(lái)通知收方,以此來(lái)重新核對(duì)收發(fā)雙方同步。若接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備兩者的時(shí)鐘頻率略有偏差,這也不會(huì)因偏差的累積而導(dǎo)致錯(cuò)位,加之字符之間的空閑位也為這種偏差提供一種緩沖,所以該異步串行通信的可靠性高。但由于要在每個(gè)字符中加上起始位和停止位這樣一些附加位,使得傳輸效率變低,只有約80%。因此,該通信協(xié)議一般用在數(shù)據(jù)速率較慢的場(chǎng)合(小于19.2 kbit/s)。在高速傳送時(shí),一般要采用同步協(xié)議。
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(méi)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(lái)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),下面介紹一種常用且十分可靠的方法——三倍速采樣法。
2 三倍速采樣法
2.1 三倍速采樣法的實(shí)現(xiàn)
三倍速采樣法就是以3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。將圖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t ,以便于分析。
圖2 三倍速采樣法格式
以三倍頻對(duì)信息位進(jìn)行采樣時(shí),每個(gè)信息位都可能被采樣到3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4ts時(shí)間,正好是第1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3ts ,所有采樣點(diǎn)均落在碼元的中問(wèn)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),硬件上只需要任意定義兩個(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(guò)定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn);在低檔無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于1200 bit/s波特率,碼元寬度為833us,采樣時(shí)間間隔即為278us。整個(gè)串行接收或發(fā)送是一個(gè)過(guò)程控制問(wèn)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(guò)程。
圖3 狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移流程
接收端空閑狀態(tài)為高電平,當(dāng)收到低電平確認(rèn)為起始位后,間隔4ts采樣第1個(gè)數(shù)據(jù)位,然后每間隔3ts采樣其它數(shù)據(jù)位,最后接收高電平確認(rèn)停止位,數(shù)據(jù)接收完后回到空閑狀態(tài)。如果起始位或停止位確認(rèn)不對(duì),程序均轉(zhuǎn)入幀錯(cuò)誤執(zhí)行,回到空閑狀態(tài)重新接收。
2.2 三倍速采樣法實(shí)際應(yīng)用
文中對(duì)中檔單片機(jī)PIC12F675進(jìn)行了軟件異步串行通信設(shè)計(jì),在程序設(shè)計(jì)中,關(guān)鍵部分是TMR0的中斷服務(wù)。當(dāng)通信波特率為1200 bit/S時(shí),TMR0采用278us左右中斷一次,TMR0的中斷響應(yīng)就為軟件UART接收和發(fā)送通信過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)MPLAB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,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,通信過(guò)程比較可靠。理論上,只要保證MCU留有足夠的運(yùn)行帶寬給其他任務(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1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3倍,不同波特率的采樣點(diǎn)間隔要獨(dú)立調(diào)整。
該方法還在實(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)采用38 kHz紅外調(diào)制,波特率為1200 bit/s的半雙工串行異步通信。用軟件實(shí)現(xiàn)此UART,并利用PIC單片機(jī)CCP模塊的PWM輸出38 kHz載波,在單片機(jī)外只須一個(gè)一體化紅外接收頭和一個(gè)紅外發(fā)射二極管,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)的可靠性和性價(jià)比。
3 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,三倍速采樣法最大的好處是軟硬件配置靈活、經(jīng)濟(jì)可靠,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,無(wú)需復(fù)雜的外圍電路,即可實(shí)現(xiàn)可靠的串行異步通信。但也有些不足,不管有無(wú)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頻率工作的PIC單片機(jī)一般只能實(shí)現(xiàn)2400 bit/s的全雙工通信。為此,可以通過(guò)提高M(jìn)CU的振蕩頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)高波特率通信,比如PIC單片機(jī)工作在20 MHz時(shí),就可實(shí)現(xiàn)9600 bit/s;而且其通信可靠性可通過(guò)在采樣時(shí)刻多次采樣、多種校驗(yàn)等方法得到進(jìn)一步提高。
評(píng)論