PIC軟件串行異步通信三倍速采樣法設(shè)計

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)是逐個字符傳輸，并且傳送單個字符總是以起始位開始，停止位結(jié)束，字符之間沒有固定的時間間隔要求，它的數(shù)據(jù)格式是靠起始位和停止位來實(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：對于一個完整的字符信息，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間寬度—— 每秒發(fā)送的信息位個數(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，每個信息位的時間寬度為1/1200≈833(us)；無數(shù)據(jù)通信時，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)?，每傳輸一個字符，就用起始位來通知收方，以此來重新核對收發(fā)雙方同步。若接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備兩者的時鐘頻率略有偏差，這也不會因偏差的累積而導(dǎo)致錯位，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)速率較慢的場合(小于19.2 kbit/s)。在高速傳送時，一般要采用同步協(xié)議。

按圖1最基本的異步串行通信時序，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鐘信號，發(fā)送方隨時都可能發(fā)送數(shù)據(jù)，任何時刻串行數(shù)據(jù)到來時，系統(tǒng)都應(yīng)該及時準(zhǔn)確地接收。比較而言，本機(jī)發(fā)送串行數(shù)據(jù)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(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接收引腳Rx進(jìn)行采樣，保證檢測到起始位，又可以調(diào)整采樣的時間間隔；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，把每個信息位分成三等份，每等份的時間寬度設(shè)為t ，以便于分析。

圖2 三倍速采樣法格式

以三倍頻對信息位進(jìn)行采樣時，每個信息位都可能被采樣到3次。當(dāng)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(diǎn)會在此S0陰影區(qū)隨機(jī)變化。檢測到起始位低電平后，間隔4ts時間，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，硬件上只需要任意定義兩個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)定時采樣，定時時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器(TMR0、TMR1、TMR2等)，通過定時中斷實(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)所耗的時間來實(shí)現(xiàn)。對于1200 bit/s波特率，碼元寬度為833us，采樣時間間隔即為278us。整個串行接收或發(fā)送是一個過程控制問題，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 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，程序均轉(zhuǎn)入幀錯誤執(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

文中對中檔單片機(jī)PIC12F675進(jìn)行了軟件異步串行通信設(shè)計，在程序設(shè)計中，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，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)送通信過程的實(shí)現(xiàn)。通過MPLAB高效的代碼編譯后，約有150條單字指令代碼，整個中斷服務(wù)平均用約35個指令周期，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)送的代碼再復(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)計中都得到了很好的驗(yàn)證 最典型的是紅外線自動抄表系統(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)外只須一個一體化紅外接收頭和一個紅外發(fā)射二極管，即可完成所有設(shè)計要求，最大程度地減化了硬件設(shè)計，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性和性價比。

3 結(jié)束語

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，采樣定時可以用不同的定時器實(shí)現(xiàn)，利用同一個定時采樣可以方便地實(shí)現(xiàn)多路軟件UART，無需復(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，可以通過提高M(jìn)CU的振蕩頻率來實(shí)現(xiàn)高波特率通信，比如PIC單片機(jī)工作在20 MHz時，就可實(shí)現(xiàn)9600 bit/s；而且其通信可靠性可通過在采樣時刻多次采樣、多種校驗(yàn)等方法得到進(jìn)一步提高。