PIC單片機(jī)軟件異步串行口實現(xiàn)技巧
在用單片機(jī)開發(fā)各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)時，異步串行通信是經(jīng)常要用到的一種通信模式，很多應(yīng)用中還要求實現(xiàn)多路異步串行通信。大家平時熟悉的各種廠家的單片機(jī)，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(xiàn)一路串行通訊。PIC系列單片機(jī)也不例外，在其豐富的產(chǎn)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(jī)甚至還不帶硬件 UART。為了提高系統(tǒng)的性能價格比，就要求設(shè)計工程師用軟件增加實現(xiàn)一路或多路異步串行通信。很多工程師對用軟件實現(xiàn)的UART在可靠性和效率方面持懷疑態(tài)度，其實關(guān)鍵問題是看軟件采用何種方式來實現(xiàn)可靠的UART功能。
在討論具體實現(xiàn)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(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(jī)系統(tǒng)中常用的波特率從300～19 200 b/s。當(dāng)波特率為1200b/s時，每個信息位的時間寬度為 1/1200≈833μs;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
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(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，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(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。我們把圖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ts，以方便分析。
圖2
以三倍頻對信息位進(jìn)行采樣時，每個信息位都將可能被采樣到三次。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4×ts時間，正好是第一位數(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3×ts，所有采樣點均落在碼元的中間1/3處，采樣數(shù)據(jù)最可靠。
PIC單片機(jī)采用此法實現(xiàn)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(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(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)所耗的時間來實現(xiàn)。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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)移過程。
圖3
本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版中，介紹了簡單的C語言參考源程序。此段程序?qū)崿F(xiàn)1200b/s全雙工串行通信，1位起始位，8位數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版的程序中，關(guān)鍵部分是TMR0的中斷服務(wù)。TMR0每隔278μs左右中斷一次，TMR0的中斷響應(yīng)即為軟件UART接收和發(fā)送全雙工通信過程的實現(xiàn)。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(wù)平均用約35個指令周期，即實現(xiàn)一路軟件 UART在4 MHz工作頻率下占用MCU約12%的運行帶寬。理論上，只要保證MCU留有足夠的運行帶寬給其它任務(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)制一份或多份(數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨立)，即可實現(xiàn)多路軟件UART。當(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三倍。不同波特率的采樣點間隔獨立調(diào)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(xiàn);利用同一個定時采樣可以方便地實現(xiàn)多路軟件UART等。缺點是：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工作的PIC單片機(jī)一般能實現(xiàn)2400bps的全雙工通信。當(dāng)然，可以通過提高M(jìn)CU的振蕩頻率來實現(xiàn)高波特率通信，當(dāng)PIC單片機(jī)工作在20 MHz時，實現(xiàn)9600b/s綽綽有余。
2 起始位中斷捕捉、定時采樣法
實現(xiàn)此法的硬件條件是PIC單片機(jī)有外部脈沖下降沿中斷觸發(fā)功能，在中檔以上PIC單片機(jī)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(shù)據(jù)流。其關(guān)鍵的異步接收工作原理簡介如圖4所示。
圖4
設(shè)串行數(shù)據(jù)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(yīng)該中斷。在此中斷服務(wù)中立即關(guān)閉本中斷使能位(后續(xù)的數(shù)據(jù)流變化無需觸發(fā)中斷)，開啟定時器，使其在 1.5td后產(chǎn)生定時中斷，用于采樣第一個數(shù)據(jù)位(確保S0采樣點落在數(shù)據(jù)位的中心位置處);在處理下降沿中斷服務(wù)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(shù)據(jù)位后的所有采樣間隔都是1td，直到收到停止位后，關(guān)閉定時器中斷，重新開放下降沿捕捉中斷，準(zhǔn)備接收下一個字節(jié)。
異步數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的狀態(tài)機(jī)控制流程，除了起始位判斷和定時時間參數(shù)設(shè)置與前述方式不同外，其它幾乎一樣，此處不再重復(fù)。
此法的好處是可以實現(xiàn)較高的通信波特率。對于通信不是很頻繁的系統(tǒng)，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(jī)上即可輕松實現(xiàn);另外,由于下降沿中斷可以喚醒處于睡眠的單片機(jī)，故極易實現(xiàn)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(xiàn)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(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)要求收發(fā)均為38 kHz紅外調(diào)制，串行數(shù)據(jù)1 200bps半雙工通訊。用軟件實現(xiàn)此UART，并充分利用PIC單片機(jī)CCP模塊的脈寬調(diào)制PWM輸出38 kHz載波時，在單片機(jī)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(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)的可靠性和性能價格比。
以上的側(cè)重點是基本原理的介紹，希望對大家有所幫助。在接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jìn)一步交流。
簡單的C語言參源程序如下：
#i nclude
__CONFIG(XT | PROTECT | PWRTEN | WDTEN);//程序中設(shè)定配置信息
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//定義軟件UART發(fā)送/接收引腳
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#define RX_PIN RB0 //串行接收腳
#define TX_PIN RB1 //串行發(fā)送腳
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//定義軟件UART狀態(tài)機(jī)控制字
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#define RS_IDLE 0 //空閑
#define RS_DATA_BIT 1 //數(shù)據(jù)位
#define RS_STOP_BIT 2 //停止位
#define RS_STOP_END 3 //停止位結(jié)束
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//定義軟件UART采樣頻率
//===========================
#define OSC_FREQ 4000 //單片機(jī)工作頻率(單位：KHz)
#define BAUDRATE 1200 //通訊波特率
#define TMR0PRE 2 //TMR0預(yù)分頻比1:2
#define TMR0CONST 117 //256 - OSC_FREQ*1000/TMR0PRE/4/(BAUDRATE*3)
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//定義函數(shù)類型
void UART_Out(void);
void UART_In(void);
//===================================================================
//定義位變量
bit rsTxBusy; //串行發(fā)送忙標(biāo)志
//定義串行發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct {
unsigned char state; //發(fā)送狀態(tài)機(jī)控制單元
unsigned char sliceCount; //波特率控制
unsigned char shiftBuff; //字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送移位寄存器
unsigned char shiftCount; //字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送移位計數(shù)器
} rsTx;
//定義串行接收的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct {
unsigned char state; //接收狀態(tài)機(jī)控制單元
unsigned char sliceCount; //波特率(采樣點)控制
unsigned char shiftBuff; //字節(jié)數(shù)據(jù)接收移位寄存器
unsigned char shiftCount; //字節(jié)數(shù)據(jù)接收移位計數(shù)器
unsigned char dataBuff[8]; //接收數(shù)據(jù)FIFO緩沖隊列
unsigned char putPtr, getPtr;//FIFO隊列存放/讀取指針
} rsRx;
//用于串行發(fā)送的變量定義
unsigned char outBuff[10]; //發(fā)送隊列
unsigned char outPtr, //發(fā)送隊列指針
outTotal, //發(fā)送的字節(jié)總數(shù)
chkSum; //發(fā)送的校驗碼
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//主程序
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void main(void)
{
PORTA = 0;
PORTB = 0;
TRISB = 0b01; //輸入輸出定義
OPTION = 0b10000000; //TMR0選擇內(nèi)部指令周期計數(shù)
//TMR0預(yù)分頻 1:2
rsRx.state = RS_IDLE; //初始化接收狀態(tài)
rsTxBusy = 0; //發(fā)送空閑
INTCON = 0b00100000; //T0IE使能
GIE = 1; //打開中斷
while(1) { //程序主循環(huán)
asm("clrwdt"); //清看門狗
UART_In(); //接收串行數(shù)據(jù)
UART_Out(); //發(fā)送串行數(shù)據(jù)
}
}
//=====================================================================
//查詢在接收FIFO隊列中是否有新數(shù)據(jù)到
//然后解讀數(shù)據(jù)
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void UART_In(void)
{
unsigned char data1;
if (rsRx.putPtr==rsRx.getPtr)
return; //如果讀取和存放的指針相同，則隊列為空
data1 = rsRx.dataBuff[rsRx.getPtr]; //讀取1個數(shù)據(jù)字節(jié)
rsRx.getPtr++; //調(diào)整讀取指針到下一位置
rsRx.getPtr &= 0x07; //考慮環(huán)形隊列回繞
//此處為數(shù)據(jù)解讀分析，略
}
//=====================================================================
//軟件UART發(fā)送數(shù)據(jù)
//數(shù)據(jù)在outBuff中,outTotal為總字節(jié)數(shù)
//=====================================================================
void UART_Out(void)
{
if (rsTxBusy==1)
return; //正處于移位發(fā)送忙
//可以發(fā)送新數(shù)據(jù)
if (outTotal) { //如果有字節(jié)要發(fā)送
rsTx.shiftBuff = outBuff[outPtr++]; //取字節(jié)到發(fā)送移位寄存器
rsTxBusy = 1; //置發(fā)送忙標(biāo)志，啟動發(fā)送
outTotal--; //字節(jié)計數(shù)器減1
}
}
//===================================================================
//中斷服務(wù)程序
//===================================================================
void interrupt isr(void)
{
//利用TMR0 定時中斷實現(xiàn)全雙工軟件UART
if (T0IE && T0IF) {
T0IF = 0; //清TMR0中斷標(biāo)志
//實現(xiàn)串行接收 RX 狀態(tài)機(jī)控制
switch (rsRx.state) { //判當(dāng)前接收狀態(tài)
case RS_IDLE:
//當(dāng)前狀態(tài)為"空閑", 唯一要做的就是判"起始位"出現(xiàn)
if (RX_PIN==0) { //如果接收到低電平
rsRx.sliceCount = 4; //準(zhǔn)備4*Ts時間間隔
rsRx.shiftCount = 8; //總共接收8位數(shù)據(jù)位
//改變此數(shù)值可以實現(xiàn)任意位數(shù)的數(shù)據(jù)接收
rsRx.state = RS_DATA_BIT; //切換到數(shù)據(jù)位接收狀態(tài)
}
break;
case RS_DATA_BIT:
//當(dāng)前狀態(tài)為"數(shù)據(jù)接收"
if (--rsRx.sliceCount==0) { //等采樣時間到
rsRx.shiftBuff >>= 1; //接收移位寄存器右移1位
if (RX_PIN) rsRx.shiftBuff|=0x80; //保存最新收到的數(shù)據(jù)位
rsRx.sliceCount = 3; //下次采樣間隔為3*Ts
if (--rsRx.shiftCount==0) { //已經(jīng)收到8位數(shù)據(jù)位?
//保存數(shù)據(jù)字節(jié)到FIFO緩沖隊列
rsRx.dataBuff[rsRx.putPtr] = rsRx.shiftBuff;
//隊列存放指針調(diào)整，最多8個字節(jié)緩沖
rsRx.putPtr = (rsRx.putPtr+1) & 0x07;
//轉(zhuǎn)去下個狀態(tài)，判停止位
rsRx.state = RS_STOP_BIT;
}
}
break;
case RS_STOP_BIT:
//當(dāng)前狀態(tài)為停止位判別(此程序沒有判別)
if (--rsRx.sliceCount==0) { //等采樣時間到
//此處可以判RX_PIN是否為1
rsRx.state = RS_IDLE; //復(fù)位接收過程
}
break;
default:
//異常處理
rsRx.state = RS_IDLE; //復(fù)位接收過程
}
//實現(xiàn)串行發(fā)送 TX 狀態(tài)機(jī)控制
switch (rsTx.state) { //判當(dāng)前發(fā)送狀態(tài)
case RS_IDLE: //發(fā)送起始位
if (rsTxBusy) { //如果發(fā)送啟動
TX_PIN = 0; //發(fā)出起始位低電平
rsTx.sliceCount = 3; //持續(xù)時間3*Ts
rsTx.shiftCount = 8; //數(shù)據(jù)位數(shù)為8位
rsTx.state = RS_DATA_BIT; //轉(zhuǎn)去下一狀態(tài)
} else TX_PIN = 1; //如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送則保證數(shù)據(jù)線為空閑
break;
case RS_DATA_BIT: //發(fā)送8位數(shù)據(jù)位
if (--rsTx.sliceCount==0) { //碼元寬度定時到
if (rsTx.shiftBuff & 0x01)//看數(shù)據(jù)位是0還是1
TX_PIN = 1; //發(fā)送1
else
TX_PIN = 0; //發(fā)送0
rsTx.shiftBuff >>= 1; //準(zhǔn)備下次數(shù)據(jù)位發(fā)送
rsTx.sliceCount = 3; //數(shù)據(jù)位寬度為3*Ts
if (--rsTx.shiftCount==0) {
//8位數(shù)據(jù)位發(fā)送結(jié)束，轉(zhuǎn)去發(fā)送停止位
rsTx.state = RS_STOP_BIT;
}
}
break;
case RS_STOP_BIT: //發(fā)送1位停止位
if (--rsTx.sliceCount==0) { //等數(shù)據(jù)位發(fā)送結(jié)束
TX_PIN = 1; //發(fā)送停止位高電平
rsTx.sliceCount = 9; //持續(xù)寬度9*Ts
//額外考慮字節(jié)連續(xù)發(fā)送的時間間隔
rsTx.state = RS_STOP_END; //轉(zhuǎn)停止位寬度延時
}
break;
case RS_STOP_END: //等待停止位時間寬度結(jié)束
if (--rsTx.sliceCount==0) { //如果停止位結(jié)束時間到
rsTxBusy = 0; //一個字節(jié)發(fā)送過程結(jié)束，清發(fā)送忙標(biāo)志
rsTx.state = RS_IDLE; //復(fù)位發(fā)送過程
}
break;
default:
//異常處理
rsTx.state = RS_IDLE; //復(fù)位發(fā)送過程
}
TMR0 += TMR0CONST; //重載TMR0，實現(xiàn)下次定時中斷
}
}
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編輯：admin 最后修改時間：2018-05-19
