单片机设计：软件uart的设计思想-皇冠最新app版本

　　目前扩展串口的方法主要有以下方法, ①、采用串口扩展芯片实现，如st16c550、st16c554、sp2538、max3110等，虽然成本较高, 但系统的可靠性得到了保证，适用于数据量较大、串口需求较多的系统；②、采用分时切换的方法将一个串口扩展与多个串口设备通信，分时复用的方法成本低, 但只适用于数据量不大的场合, 并且只能由这个单片机主动和多个设备通信，实时性差；③、用软件模拟的方法扩展串口，其优势也是成本低、实时性好, 但要占用一些cpu时间。

　　一般的软件模拟扩展串口方法，使用1个i/o端口、1个int外部中断和定时器，该方法扩展的串口有2个缺点，①、由于使用了int外部中断，故只能使用2个int外部中断扩展2个串口。②、文中的发送和接收数据的效率比较低，占用了cpu的大量时间，不能与其他任务同时进行，所以使用范围有限。

　　本文提出的模拟串口方法，仅使用2个普通i/o和1个定时器，由于不需要int的限制，可以扩展出多个串口，且带fifo的功能，该方法扩展模拟串口的收发数据在中断服务中完成，所以非常效率高，一般的单片机都支持定时器中断，所以所以该方法在大多数单片机上都可以应用。

　　对于低速度的单片机(如89s51)可以扩展出低速串口(9600、4800等)，对于高速单片机(如avr、pic、c8051、stc12)可以扩展高速串口(如19200、28800、38400、57600等)。目前单片机的处理速度越来越高，而价格越来越便宜，本文使用的stc12c1052芯片就具有高速度和低价格，价格仅为每片人民币3.8元。电子产品的开发设计时，要求在保证性能的情况下降低硬件成本，软件模拟扩展串口提供了一种降低成本的好方法。

　　1、串口通讯原理

　　在串口的异步通信中，数据以字节为单位的字节帧进行传送，发送端和接收端必须按照相同的字节帧格式和波特率进行通信，其中字节帧格式规定了起始位、数据位、寄偶效验位、停止位。起始位是字节帧的开始，使数据线处于逻辑0状态，用于向接收端表明开始发送数据帧，起到使发送和接收设备实现同步。停止位是字节帧的终止，使数据线处于逻辑1状态，用于向接收端表明数据帧发送完毕。波特率采用标准速度，如4800、9600、19200、28800、38400、57600等。

　　2、软件uart的设计思想

　　在本设计对硬件要求方面，仅仅占用单片机的任意2个i/o端口和1个定时器，利用定时器的定时中断功能实现精确的波特率定时，发送和接收都在定时中断的控制之下进行。

　　数据发送的思想是，当启动字节发送时，通过txd先发起始位，然后发数据位和奇偶数效验位，最后再发停止位，发送过程由发送状态机控制，每次中断只发送1个位，经过若干个定时中断完成1个字节帧的发送。

　　数据接收的思想是，当不在字节帧接收过程时，每次定时中断以3倍的波特率监视rxd的状态，当其连续3次采样电平依次为1、0、0时，就认为检测到了起始位，则开始启动一次字节帧接收，字节帧接收过程由接收状态机控制，每次中断只接收1个位，经过若干个定时中断完成1个字节帧的接收。

　　为了提高串口的性能，在发送和接收上都实现了fifo功能，提高通信的实时性。fifo的长度可以进行自由定义，适应用户的不同需要。

　　波特率的计算按照计算公式进行，在设置最高波特率时一定要考虑模拟串口程序代码的执行时间，该定时时间必须大于模拟串口的程序的规定时间。单片机的执行速度越快，则可以实现更高的串口通讯速度。

　　3、软件uart设计的实现

　　本程序在宏晶科技(深圳)生产的stc12c1052高速单片机上进行运行测试，stc12c1052单片机是单时钟/机器周期的mcs51内核单片机，与89c2051引脚完全兼容，其工作频率达35mhz，相当与420mhz的89c2051单片机，每片人民币3.8元。由于该单片机的高速度，使得软件扩展串口的方法，更方便实现高速的串口。

　　本扩展串口的设计中，stc12c1052使用的晶振频率为22.1184mhz，以波特率的3倍计算定时时间，在接收过程中以此定时进行接收起始位的采样，在发送和接收过程中再3分频得到标准波特率定时，进行数据发送与接收。

　　3.1、数据定义

　　定义模拟串口程序所必须的一些资源，如i/o引脚、波特率、数据缓冲区等。

　　#define fosc 22118400 //晶振频率

　　#define baud 38400 //波特率

　　#define baudt (fosc/baud/3/12)

　　#define buflong 16 //fifo长度

　　sbit rxd1=p1^7; //模拟接收rxd

　　sbit txd1=p1^6; //模拟发送txd

　　bit brxd1,srxd1;//rxd检测电平

　　byte rbuf1[buflong];//fifo接收区

　　byte rptr1,rnum1;

　　byte tbuf1[buflong];//fifo发送区

　　byte tptr1,tnum1;

　　byte timcnt1a,timcnt1b;

　　byte mtbuf1,mrbuf1,txdcnt1,rxdcnt1;

　　3.2、数据接收子程序

　　数据接收过程中，依次存储rxd的逻辑位形成字节数据，当数据接收完毕且停止位为1时，表示接收到了有效数据，就将结果存储到接收fifo队列中去。

　　void recv()

　　{

　　if(rxdcnt1＞0) //存数据位8个

　　{

　　mrbuf1＞＞=1;

　　if(rxd1==1) mrbuf1=mrbuf1|0x80;

　　}

　　rxdcnt1--;

　　if(rxdcnt1==0&& rxd1==1) //数据接收完毕

　　{

　　rbuf1[rptr1]=mrbuf1; //存储到fifo队列

　　if( rptr1＞buflong-1) rptr1=0;

　　if( rnum1＞buflong) rnum1=buflong;

　　}

　　}

　　3.3、数据发送子程序

　　该程序过程中，当数据发送状态结束时，检测发送fifo队列是否为空，若非空则取出发送数据，然后启动发送状态；当处于发送状态时，则按照状态机的状态进行起始位、数据位和停止位的发送。

　　void send()

　　{

　　if(txdcnt1!=0) //字节发送状态机

　　{

　　if(txdcnt1==11) txd1=0;//发起始位0

　　else if(txdcnt1＞2) //发数据位

　　{ mtbuf1＞＞=1; txd1=cy;}

　　else txd1=1; //发终止位1

　　txdcnt1--;

　　}

　　else if(tnum1＞0) //检测fifo队列

　　{

　　tnum1--;

　　mtbuf1=tbuf1[tptr1]; //读取fifo数据

　　if( tptr1＞=buflong) tptr1=0;

　　txdcnt1=11; //启动发送状态机

　　}

　　}

　　3.4、中断程序

　　中断定时时间为波特率定时的1/3，即以3倍的波特率对rxd进行采样，实现起始位的判别，当起始位到达时启动接收过程状态机。将该定时进行3分频再调用数据的发送和接收过程，进行准确波特率下的串口通信。

　　void uart() interrupt 1 using 1

　　{

　　if(rxdcnt1==0 ) //接收起始识别

　　{

　　if(rxd1==0 && brxd1==0 && srxd1==1) { rxdcnt1=8; timcnt1b=0;}

　　}

　　srxd1=brxd1; brxd1=rxd1;

　　if( timcnt1b＞=3 && rxdcnt1!=0) { timcnt1b=0; recv();}//数据接收

　　if( timcnt1a＞=3) { timcnt1a=0; send();} //数据发送

　　}

　　3.5、串口初始化

　　打开定时器的中断，将定时器的设置为自装载模式，依照波特率设置定时中断的定时间隔，启动定时器，并进行uart各变量的初始化。

　　void iniuart()

　　{

　　ie="0x82"; tmod="0x22";

　　th0=-baudt; tl0=-baudt; tr0=1;

　　rptr1=0;rnum1=0;tptr1=0;tnum1=0;

　　}

　　4、结束语

　　本文提出的模拟串口设计方法，其独特之处在于：仅仅使用任意2个普通i/o引脚和1个定时中断实现了全双工串口，对硬件的占用较少，具有多可串口扩展能力；在串口接收的起始位判别时采用了连续3次采样的判别方法，该方法实现简单、准确率高；用定时中断实现了串口数据的发送和接收，并实现了fifo队列，使串口发送和接收工作效率高。