軟件模擬USART

十年專注單片機方案開發的方案公司英銳恩，分享軟件模擬USART。英銳恩現提供服務產品涉及主控芯片：8位單片機、16位單片機、32位單片機及各類運算放大器等。

在用單片機開發各種嵌入式應用系統時，異步串行通信是經常要用到的一種通信模式，很多應用中還要求實現多路異步串行通信。大家平時熟悉的各種廠家的單片機，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一路串行通訊。PIC系列單片機也不例外，在其豐富的產品家族成員中，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單片機甚至還不帶硬件UART。為了提高系統的性能價格比，就要求設計工程師用軟件增加實現一路或多路異步串行通信。很多工程師對用軟件實現的UART在可靠性和效率方面持懷疑態度，其實關鍵問題是看軟件采用何種方式來實現可靠的UART功能。

　在討論具體實現方式前，我們先來簡單回顧一下異步串行通信的格式定義。發送一個完整的字節信息，必須有“起始位”、“若干數據位”、“奇偶校驗位”和“停止位”；必須定義每位信息的時間寬度——每秒發送的信息位個數，即為“波特率”。單片機系統中常用的波特率從300～19 200 b/s。當波特率為1200b/s時，每個信息位的時間寬度為 1/1200≈833μs；無數據通信時，數據線空閑狀態應該是高電平，“起始位”為低電平，數據位低位先發且后跟奇偶校驗位（若有），“停止位”為高電平，如圖1所示。
　　　　　　
　　按圖1最基本的異步串行通信時序，軟件實現UART在不同架構的單片機上有多種方法。其中數據接收是關鍵，因異步通信沒有可參照的時鐘信號，發送方隨時都可能發送數據，任何時刻串行數據到來時，系統都應該及時準確地接收。比較而言，本機發送串行數據相對容易，只要對發送出去的電平做持續時間的定時即可。按不同的接收技巧并針對PIC單片機的特點，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進行采樣，保證檢測到“起始位”，又可以調整采樣的時間間隔；將有效數據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。我們把圖1的起始位和部分數據位放大，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為ts，以方便分析。
　　　　　　
　　以三倍頻對信息位進行采樣時，每個信息位都將可能被采樣到三次。當處于空閑狀態并檢測起始位時，最早檢測到起始位低電平的時刻必將落在S0陰影區，雖然每次具體的采樣點會在此S0陰影區隨機變化。檢測到起始位低電平后，間隔4×ts時間，正好是第一位數據位的中間1/3處（圖2中Ds陰影區）。此后的數據位、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，采樣數據最可靠。

　　PIC單片機采用此法實現軟件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（串行數據接收）和輸出（串行數據發送）即可；軟件上只要實現定時采樣，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，在低檔無中斷的PIC單片機上可以控制每次主循環所耗的時間來實現。對于1200 b/s波特率，碼元寬度為833μs，采樣時間間隔即為278μs。整個串行接收或發送是一個過程控制問題，用狀態機方式實現最為高效簡易。圖3給出了串行接收的參考狀態機轉移過程。
　　　　 　　　　
　　本刊網絡補充版（www.dpj.com.cn）中，介紹了簡單的C語言參考源程序。此段程序實現1200b/s全雙工串行通信，1位起始位，8位數據位，無校驗位，1位停止位，沒有幀錯誤等判別。編譯環境為HITECH-PICC編譯器V8.00PL4或更高版。

　　在網絡補充版的程序中，關鍵部分是TMR0的中斷服務。TMR0每隔278μs左右中斷一次，TMR0的中斷響應即為軟件UART接收和發送全雙工通信過程的實現。通過Hitech-PICC高效的代碼編譯后，約有150條單字指令代碼，整個中斷服務平均用約35個指令周期，即實現一路軟件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，在此中斷服務程序內把接收和發送的代碼再復制一份或多份（數據結構獨立），即可實現多路軟件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三倍。不同波特率的采樣點間隔獨立調整。

　　此法最大的好處是軟硬件配置極其靈活：接收發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；利用同一個定時采樣可以方便地實現多路軟件UART等。缺點是：不管有無數據通信，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單片機一般能實現2400bps的全雙工通信。當然，可以通過提高MCU的振蕩頻率來實現高波特率通信，當PIC單片機工作在20 MHz時，實現9600b/s綽綽有余。

2 起始位中斷捕捉、定時采樣法

　　實現此法的硬件條件是PIC單片機有外部脈沖下降沿中斷觸發功能，在中檔以上PIC單片機中有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，或發送串行數據流。其關鍵的異步接收工作原理簡介如圖4所示。
　　　　　　
　　設串行數據位寬度為td。起始位到來時刻（圖4 A點）的下降沿觸發一個中斷并立即響應該中斷。在此中斷服務中立即關閉本中斷使能位（后續的數據流變化無需觸發中斷），開啟定時器，使其在 1.5td后產生定時中斷，用于采樣第一個數據位（確保S0采樣點落在數據位的中心位置處）；在處理下降沿中斷服務的最后，再檢測接收端是否還是0電平，以區分窄脈沖干擾。在S0點采樣到第一個數據位后的所有采樣間隔都是1td，直到收到停止位后，關閉定時器中斷，重新開放下降沿捕捉中斷，準備接收下一個字節。

　　異步數據接收和發送的狀態機控制流程，除了起始位判斷和定時時間參數設置與前述方式不同外，其它幾乎一樣，此處不再重復。

　此法的好處是可以實現較高的通信波特率。對于通信不是很頻繁的系統，此軟件UART幾乎不耗MCU運行帶寬，9600b/s接收或發送在4 MHz運行的PIC單片機上即可輕松實現；另外,由于下降沿中斷可以喚醒處于睡眠的單片機，故極易實現通信喚醒的功能。缺點是不能全雙工通信（除非另外單獨用一個定時器實現發送定時），異步接收的引腳必須有下降沿觸發中斷的能力。

　　上面介紹的兩種方法在實際產品設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。該系統要求收發均為38 kHz紅外調制，串行數據1 200bps半雙工通訊。用軟件實現此UART，并充分利用PIC單片機CCP模塊的脈寬調制PWM輸出38 kHz載波時，在單片機外除了一個一體化紅外接收頭和一個紅外發射二極管，無需其它任何外圍器件，即可完成所有設計要求，最大程度地減化了硬件設計，降低了成本，提高了系統的可靠性和性能價格比。

　　以上的側重點是基本原理的介紹，希望對大家有所幫助。在接收數據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據做多次采樣，以消除干擾誤碼；或有其它處理技巧，歡迎和筆者作進一步交流。