串行異步通信三倍速采樣方法設(shè)計

在利用單片機開發(fā)各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)時，異步串行通信是常用的一種通信模式，有的應(yīng)用中還要求實現(xiàn)多路異步串行通信。人們平時所應(yīng)用的各種廠商的單片機，絕大部分片上只提供一個UART(通用異步收發(fā)器)硬件模塊，利用它可以方便地實現(xiàn)一路串行通訊。PIC系列單片機也不例外，在其豐富的一系列產(chǎn)品中，除高端系列(PIC 17/18)一些型號片上帶有2路UART硬件模塊外，其他大部分型號片上只有1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(tǒng)的性價比，要求設(shè)計者用軟件實現(xiàn)1路或多路異步串行通信。很多人對用軟件實現(xiàn)的UART在可靠性和效率方面持懷疑態(tài)度，其實關(guān)鍵問題是采用何種方式來實現(xiàn)可靠的UART功能。

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。單片機系統(tǒng)中常用的波特率為300 bit/s～19200 bit/s。當波特率為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，軟件實現(xiàn)UART在不同架構(gòu)的單片機上有多種方法。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)該及時準確地接收。比較而言，本機發(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單片機的特點，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。將圖1的起始位和部分數(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行采樣時，每個信息位都可能被采樣到3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、校驗位和停止位的采樣間隔都是3ts ，所有采樣點均落在碼元的中問1/3處，采樣數(shù)據(jù)最可靠。
PIC單片機采用此法實現(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。軟件上只要實現(xiàn)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(xiàn)；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(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)機方式實現(xiàn)最為高效簡易。圖3給出了串行接收的參考狀態(tài)機轉(zhuǎn)移過程。

圖3 狀態(tài)機轉(zhuǎn)移流程

接收端空閑狀態(tài)為高電平，當收到低電平確認為起始位后，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 三倍速采樣法實際應(yīng)用
文中對中檔單片機PIC12F675進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，實現(xiàn)一路軟件UART在4 MHz工作頻率下占用MCU約12％的運行帶寬，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)送的代碼再復制1份或多份(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨立)，即可實現(xiàn)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3倍，不同波特率的采樣點間隔要獨立調(diào)整。
該方法還在實際產(chǎn)品設(shè)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(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。用軟件實現(xiàn)此UART，并利用PIC單片機CCP模塊的PWM輸出38 kHz載波，在單片機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現(xiàn)，利用同一個定時采樣可以方便地實現(xiàn)多路軟件UART，無需復雜的外圍電路，即可實現(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單片機一般只能實現(xiàn)2400 bit/s的全雙工通信。為此，可以通過提高MCU的振蕩頻率來實現(xiàn)高波特率通信，比如PIC單片機工作在20 MHz時，就可實現(xiàn)9600 bit/s；而且其通信可靠性可通過在采樣時刻多次采樣、多種校驗等方法得到進一步提高。