基于51系列單片機(jī)的通用軟件UART的實(shí)現(xiàn)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入了32位時(shí)代，8位MCU市場趨于穩(wěn)定，32位的MPU代表著嵌入式技術(shù)的發(fā)展方向。然而，作為嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用的代表，8位單片機(jī)在家用電器、儀器儀表等領(lǐng)域仍然被廣泛應(yīng)用；而且隨著IC技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的擴(kuò)展能力越來越強(qiáng)，8位單片機(jī)的開發(fā)、應(yīng)用仍然受到很大重視。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對單片機(jī)的通信能力要求越來越高，異步通信技術(shù)通信距離遠(yuǎn)、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(diǎn)廣泛應(yīng)用在分級、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程通信中，尤其適合單機(jī)轉(zhuǎn)向多機(jī)或聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方向。目前普遍應(yīng)用的MCS-51系列和其他一些專用的單片機(jī)通常只具有一個(gè)UART異步串行通信接口，而在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中（如在多機(jī)通信系統(tǒng)中，主機(jī)既要和從機(jī)通信又要和終端通信）往往需要多個(gè)串行接口。對于三總線開放的單片機(jī)，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(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，這就增加了系統(tǒng)開發(fā)的硬件開銷和成本。而且有些專用單片機(jī)（如ST62T32B）的三總線是不開放的，無法用通信接口芯片來擴(kuò)展接口，給多機(jī)通信帶來困難。本文僅僅利用51單片機(jī)內(nèi)部的擴(kuò)展模塊（一個(gè)I/O端口、一個(gè)定時(shí)器T/C和一個(gè)外部中斷INT）實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的軟件UART，可以以4800、9600、19200的波特率接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，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(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)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(shù)據(jù)通常是以字符（字節(jié)）為單位組成字符幀進(jìn)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(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘彼此獨(dú)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(xié)調(diào)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。字符幀和波特率是兩個(gè)重要指標(biāo)，由用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇。

字符幀由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位四部分組成，如圖1所示，各部分的功能和結(jié)構(gòu)為：

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

數(shù)據(jù)位 緊跟起始位之后，根據(jù)字符編碼方式的不同可取5位、6位、7位和8位。在數(shù)據(jù)傳送過程中，低位在前，高位在后。如傳送數(shù)據(jù)為ASCII碼，則常取7位。

奇偶校驗(yàn)位 位于數(shù)據(jù)位之后，占一位，用于對數(shù)據(jù)傳送作正確性檢查。奇偶校驗(yàn)位有三種選擇，即奇、偶和無校驗(yàn)，由用戶根據(jù)需要設(shè)定。

停止位 位于字符幀末尾，可占1、1.5和2位，在實(shí)際應(yīng)用中由用戶根據(jù)需要確定，它對應(yīng)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(shè)計(jì)思想

在設(shè)計(jì)的硬件方面該通用軟件UART僅僅使用了51系列單片機(jī)的一個(gè)通用I/O端口、一個(gè)T/C計(jì)數(shù)定時(shí)器和一個(gè)外部中斷INT，最大限度地降低了系統(tǒng)硬件開銷。該軟件UART數(shù)據(jù)發(fā)送的設(shè)計(jì)思想是利用單片機(jī)的任意一個(gè)I/O端口作通用軟件UART的發(fā)送端（TxD），通過T/Cx計(jì)數(shù)定時(shí)器設(shè)置通信波特率，將數(shù)據(jù)幀的起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位依次發(fā)送出去；數(shù)據(jù)接收的設(shè)計(jì)思想是將單片機(jī)的某一個(gè)外部中斷作為數(shù)據(jù)接收端（RxD），并且將該中斷源設(shè)置為下降沿觸發(fā)方式，以利于及時(shí)檢測到起始位的space（邏輯0）電平，在中斷處理程序中對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，這樣設(shè)計(jì)有利于提高UART的響應(yīng)速度和單片機(jī)的利用率。

UART的波特率和采樣時(shí)鐘是利用T/Cx計(jì)數(shù)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的。對于不同的波特率，向T/Cx計(jì)數(shù)定時(shí)器賦予不同的初值，然后在指定的波特率下，利用軟件實(shí)現(xiàn)UART的并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、每幀數(shù)據(jù)格式的生成、發(fā)送和接收功能。