基于51系列單片機的通用軟件UART的實現

0 引言

嵌入式系統開發(fā)已經進入了32位時代，8位MCU市場趨于穩(wěn)定，32位的MPU代表著嵌入式技術的發(fā)展方向。然而，作為嵌入式系統低端應用的代表，8位單片機在家用電器、儀器儀表等領域仍然被廣泛應用；而且隨著IC技術的不斷發(fā)展，單片機的擴展能力越來越強，8位單片機的開發(fā)、應用仍然受到很大重視。

隨著網絡技術和通信技術的不斷發(fā)展，對單片機的通信能力要求越來越高，異步通信技術通信距離遠、節(jié)約成本、通信可靠，特別是以其通信速度越來越快的特點廣泛應用在分級、分層和分布式控制系統以及遠程通信中，尤其適合單機轉向多機或聯網的應用方向。目前普遍應用的MCS-51系列和其他一些專用的單片機通常只具有一個UART異步串行通信接口，而在實際應用系統中（如在多機通信系統中，主機既要和從機通信又要和終端通信）往往需要多個串行接口。對于三總線開放的單片機，通常的方法是利用Intel 8251或8250通用同步/異步收發(fā)器（USART）對系統進行擴展，這就增加了系統開發(fā)的硬件開銷和成本。而且有些專用單片機（如ST62T32B）的三總線是不開放的，無法用通信接口芯片來擴展接口，給多機通信帶來困難。本文僅僅利用51單片機內部的擴展模塊（一個I/O端口、一個定時器T/C和一個外部中斷INT）實現了一個通用的軟件UART，可以以4800、9600、19200的波特率接收和發(fā)送數據，沒有使用任何外圍器件，通信可靠性高，節(jié)約了開發(fā)成本，而且軟件使用C語言編寫，具有很好的移植性。該軟件UART已在多個單片機系統中應用，工作穩(wěn)定可靠，是一種可以借鑒的通信方案。

1 異步通信簡介

在異步通信中，數據通常是以字符（字節(jié)）為單位組成字符幀進行傳送的。字符幀由發(fā)送端一幀一幀的發(fā)送，通過傳輸線在接收端一幀一幀的接收。發(fā)送端和接收端可以有各自的時鐘來控制數據的發(fā)送和接收，這兩個時鐘彼此獨立、互不同步。另外，發(fā)送端和接收端通過字符幀規(guī)定的格式和波特率來協調數據發(fā)送和接收。字符幀和波特率是兩個重要指標，由用戶根據實際情況選擇。

字符幀由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位四部分組成，如圖1所示，各部分的功能和結構為：

起始位 位于字符幀的開始位置，占一位，使數據線處于space（邏輯0）狀態(tài)，用于向接收設備表明發(fā)送端開始發(fā)送數據。

數據位 緊跟起始位之后，根據字符編碼方式的不同可取5位、6位、7位和8位。在數據傳送過程中，低位在前，高位在后。如傳送數據為ASCII碼，則常取7位。

奇偶校驗位 位于數據位之后，占一位，用于對數據傳送作正確性檢查。奇偶校驗位有三種選擇，即奇、偶和無校驗，由用戶根據需要設定。

停止位 位于字符幀末尾，可占1、1.5和2位，在實際應用中由用戶根據需要確定，它對應于mark（邏輯1）狀態(tài)，用于向接收端表明一幀信息發(fā)送完畢[1]。

2 通用軟件UART的設計思想

在設計的硬件方面該通用軟件UART僅僅使用了51系列單片機的一個通用I/O端口、一個T/C計數定時器和一個外部中斷INT，最大限度地降低了系統硬件開銷。該軟件UART數據發(fā)送的設計思想是利用單片機的任意一個I/O端口作通用軟件UART的發(fā)送端（TxD），通過T/Cx計數定時器設置通信波特率，將數據幀的起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位依次發(fā)送出去；數據接收的設計思想是將單片機的某一個外部中斷作為數據接收端（RxD），并且將該中斷源設置為下降沿觸發(fā)方式，以利于及時檢測到起始位的space（邏輯0）電平，在中斷處理程序中對數據進行接收，這樣設計有利于提高UART的響應速度和單片機的利用率。

UART的波特率和采樣時鐘是利用T/Cx計數定時器實現的。對于不同的波特率，向T/Cx計數定時器賦予不同的初值，然后在指定的波特率下，利用軟件實現UART的并行數據到串行數據的轉換、每幀數據格式的生成、發(fā)送和接收功能。