PIC單片機軟件異步串行口的實現

在用單片機開發(fā)各種嵌入式應用系統時,異步串行通信是經常要用到的一種通信模式,很多應用中還要求實現多路異步串行通信。大家平時熟悉的各種廠家的單片機,絕大部分片上只提供一個硬件UART模塊,利用它可以方便實現一路串行通訊。PIC系列單片機也不例外,在其豐富的產品家族成員中,除高端系列（PIC17/18）一些型號片上帶有兩路硬件UART模塊外,其它大部分型號片上只有一路UART,一些低端廉價的PIC單片機甚至還不帶硬件UART。為了提高系統的性能價格比,就要求設計工程師用軟件增加實現一路或多路異步串行通信。很多工程師對用軟件實現的UART在可靠性和效率方面持懷疑態(tài)度,其實關鍵問題是看軟件采用何種方式來實現可靠的UART功能。

　　在討論具體實現方式前,我們先來簡單回顧一下異步串行通信的格式定義。發(fā)送一個完整的字節(jié)信息,必須有“起始位”、“若干數據位”、“奇偶校驗位”和“停止位”;必須定義每位信息的時間寬度——每秒發(fā)送的信息位個數,即為“波特率”。單片機系統中常用的波特率從300～19 200 b/s。當波特率為1200b/s時,每個信息位的時間寬度為 1/1200≈833μs;無數據通信時,數據線空閑狀態(tài)應該是高電平,“起始位”為低電平,數據位低位先發(fā)且后跟奇偶校驗位（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序,軟件實現UART在不同架構的單片機上有多種方法。其中數據接收是關鍵,因異步通信沒有可參照的時鐘信號,發(fā)送方隨時都可能發(fā)送數據,任何時刻串行數據到來時,系統都應該及時準確地接收。比較而言,本機發(fā)送串行數據相對容易,只要對發(fā)送出去的電平做持續(xù)時間的定時即可。按不同的接收技巧并針對PIC單片機的特點,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接收引腳Rx進行采樣,保證檢測到“起始位”,又可以調整采樣的時間間隔;將有效數據位的采樣點控制在碼元的中間1/3處,最大限度地減少誤碼,提高接收的準確性。我們把圖1的起始位和部分數據位放大,如圖2所示,把每個信息位分成三等份,每等份的時間寬度設為ts,以方便分析。

圖2

　　以三倍頻對信息位進行采樣時,每個信息位都將可能被采樣到三次。當處于空閑狀態(tài)并檢測起始位時,最早檢測到起始位低電平的時刻必將落在S0陰影區(qū),雖然每次具體的采樣點會在此S0陰影區(qū)隨機變化。檢測到起始位低電平后,間隔4×ts時間,正好是第一位數據位的中間1/3處（圖2中Ds陰影區(qū)）。此后的數據位、校驗位和停止位的采樣間隔都是3×ts,所有采樣點均落在碼元的中間1/3處,采樣數據最可靠。

　　PIC單片機采用此法實現軟件UART時,硬件上只要任意定義兩個I/O引腳,分別初始化成輸入（串行數據接收）和輸出（串行數據發(fā)送）即可;軟件上只要實現定時采樣,定時時間間隔在中檔以上有中斷機制的單片機上可以用不同的定時器（TMR0、TMR1、TMR2等）通過定時中斷實現,在低檔無中斷的PIC單片機上可以控制每次主循環(huán)所耗的時間來實現。對于1200 b/s波特率,碼元寬度為833μs,采樣時間間隔即為278μs。整個串行接收或發(fā)送是一個過程控制問題,用狀態(tài)機方式實現最為高效簡易。圖3給出了串行接收的參考狀態(tài)機轉移過程。

圖3

　　本刊網絡補充版（www.dpj.com.cn）中,介紹了簡單的C語言參考源程序。此段程序實現1200b/s全雙工串行通信,1位起始位,8位數據位,無校驗位,1位停止位,沒有幀錯誤等判別。編譯環(huán)境為HITECH-PICC編譯器V8.00PL4或更高版。

　　在網絡補充版的程序中,關鍵部分是TMR0的中斷服務。TMR0每隔278μs左右中斷一次,TMR0的中斷響應即為軟件UART接收和發(fā)送全雙工通信過程的實現。通過Hitech-PICC高效的代碼編譯后,約有150條單字指令代碼,整個中斷服務平均用約35個指令周期,即實現一路軟件UART在4 MHz工作頻率下占用MCU約12％的運行帶寬。理論上,只要保證MCU留有足夠的運行帶寬給其它任務,在此中斷服務程序內把接收和發(fā)送的代碼再復制一份或多份（數據結構獨立）,即可實現多路軟件UART。當然,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間隔獨立調整。

　　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;采樣定時可以用不同的定時器實現;利用同一個定時采樣可以方便地實現多路軟件UART等。缺點是：不管有無數據通信,始終占用MCU運行帶寬;串行通信的波特率不能太高,4 MHz工作的PIC單片機一般能實現2400bps的全雙工通信。當然,可以通過提高MCU的振蕩頻率來實現高波特率通信,當PIC單片機工作在20 MHz時,實現9600b/s綽綽有余。

2 起始位中斷捕捉、定時采樣法

　　實現此法的硬件條件是PIC單片機有外部脈沖下降沿中斷觸發(fā)功能,在中檔以上PIC單片機中有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。另外需配備一個定時器,以定時中斷方式對接收碼元正確采樣,或發(fā)送串行數據流。其關鍵的異步接收工作原理簡介如圖4所示。

圖4

　　設串行數據位寬度為td。起始位到來時刻（圖4 A點）的下降沿觸發(fā)一個中斷并立即響應該中斷。在此中斷服務中立即關閉本中斷使能位（后續(xù)的數據流變化無需觸發(fā)中斷）,開啟定時器,使其在 1.5td后產生定時中斷,用于采樣第一個數據位（確保S0采樣點落在數據位的中心位置處）;在處理下降沿中斷服務的最后,再檢測接收端是否還是0電平,以區(qū)分窄脈沖干擾。在S0點采樣到第一個數據位后的所有采樣間隔都是1td,直到收到停止位后,關閉定時器中斷,重新開放下降沿捕捉中斷,準備接收下一個字節(jié)。

　　異步數據接收和發(fā)送的狀態(tài)機控制流程,除了起始位判斷和定時時間參數設置與前述方式不同外,其它幾乎一樣,此處不再重復。

　　此法的好處是可以實現較高的通信波特率。對于通信不是很頻繁的系統,此軟件UART幾乎不耗MCU運行帶寬,9600b/s接收或發(fā)送在4 MHz運行的PIC單片機上即可輕松實現;另外,由于下降沿中斷可以喚醒處于睡眠的單片機,故極易實現通信喚醒的功能。缺點是不能全雙工通信（除非另外單獨用一個定時器實現發(fā)送定時）,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際產品設計中都得到了很好的驗證,最典型的是紅外線自動抄表系統。該系統要求收發(fā)均為38 kHz紅外調制,串行數據1 200bps半雙工通訊。用軟件實現此UART,并充分利用PIC單片機CCP模塊的脈寬調制PWM輸出38 kHz載波時,在單片機外除了一個一體化紅外接收頭和一個紅外發(fā)射二極管,無需其它任何外圍器件,即可完成所有設計要求,最大程度地減化了硬件設計,降低了成本,提高了系統的可靠性和性能價格比。

　　以上的側重點是基本原理的介紹,希望對大家有所幫助。在接收數據的可靠性處理方面沒有太多涉及。有興趣者可以在采樣時刻到來時對數據做多次采樣,以消除干擾誤碼;或有其它處理技巧,歡迎和筆者作進一步交流。