基于单片机通用引脚的软件UART设计方案解析

　引言
　　随着单片机应用技术的不断深入，由单片机构成的多机系统取得了长足的发展，多个单片机之间以串口进行数据传输，构成复杂的主从式通讯网。在多机系统中的有一些单片机承担着复杂的通讯任务，当计算机的串口不能满足需要，就必须对串口进行扩展。如多参数医用监护仪、小区防盗报警系统、RS485总线控制系统等。
　　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。