引言      
    隨著單片機應用技術的不斷深入，由單片機構成的多機系統取得了長足的發展，多個單片機之間以串口進行數據傳輸，構成復雜的主從式通訊網。在多機系統中的有一些單片機承擔著復雜的通訊任務，當計算機的串口不能滿足需要，就必須對串口進行擴展。如多參數醫用監護儀、小區防盜報警系統、RS485總線控制系統等。    
    目前擴展串口的方法主要有以下方法, ①、采用串口擴展芯片實現，如ST16C550、ST16C554、SP2538、MAX3110等，雖然成本較高, 但系統的可靠性得到了保證，適用于數據量較大、串口需求較多的系統；②、采用分時切換的方法將一個串口擴展與多個串口設備通信，分時復用的方法成本低, 但只適用于數據量不大的場合, 并且只能由這個單片機主動和多個設備通信，實時性差；③、用軟件模擬的方法擴展串口，其優勢也是成本低、實時性好, 但要占用一些CPU時間。    
    一般的軟件模擬擴展串口方法，使用1個I/O端口、1個INT外部中斷和定時器，該方法擴展的串口有2個缺點，①、由于使用了INT外部中斷，故只能使用2個INT外部中斷擴展2個串口。②、文中的發送和接收數據的效率比較低，占用了CPU的大量時間，不能與其他任務同時進行，所以使用范圍有限。    
    本文提出的模擬串口方法，僅使用2個普通I/O和1個定時器，由于不需要INT的限制，可以擴展出多個串口，且帶FIFO的功能，該方法擴展模擬串口的收發數據在中斷服務中完成，所以非常效率高，一般的單片機都支持定時器中斷，所以所以該方法在大多數單片機上都可以應用。    
    對于低速度的單片機(如89S51)可以擴展出低速串口(9600、4800等)，對于高速單片機(如AVR、PIC、C8051、STC12)可以擴展高速串口(如19200、28800、38400、57600等)。目前單片機的處理速度越來越高，而價格越來越便宜，本文使用的STC12C1052芯片就具有高速度和低價格，價格僅為每片人民幣3.8元。電子產品的開發設計時，要求在保證性能的情況下降低硬件成本，軟件模擬擴展串口提供了一種降低成本的好方法。     
    1、串口通訊原理     
    在串口的異步通信中，數據以字節為單位的字節幀進行傳送，發送端和接收端必須按照相同的字節幀格式和波特率進行通信，其中字節幀格式規定了起始位、數據位、寄偶效驗位、停止位。起始位是字節幀的開始，使數據線處于邏輯0狀態，用于向接收端表明開始發送數據幀，起到使發送和接收設備實現同步。停止位是字節幀的終止，使數據線處于邏輯1狀態，用于向接收端表明數據幀發送完畢。波特率采用標準速度，如4800、9600、19200、28800、38400、57600等。     
    2、軟件UART的設計思想     
    在本設計對硬件要求方面，僅僅占用單片機的任意2個I/O端口和1個定時器，利用定時器的定時中斷功能實現精確的波特率定時，發送和接收都在定時中斷的控制之下進行。    
    數據發送的思想是，當啟動字節發送時，通過TxD先發起始位，然后發數據位和奇偶數效驗位，最后再發停止位，發送過程由發送狀態機控制，每次中斷只發送1個位，經過若干個定時中斷完成1個字節幀的發送。    
    數據接收的思想是，當不在字節幀接收過程時，每次定時中斷以3倍的波特率監視RxD的狀態，當其連續3次采樣電平依次為1、0、0時，就認為檢測到了起始位，則開始啟動一次字節幀接收，字節幀接收過程由接收狀態機控制，每次中斷只接收1個位，經過若干個定時中斷完成1個字節幀的接收。    
    為了提高串口的性能，在發送和接收上都實現了FIFO功能，提高通信的實時性。FIFO的長度可以進行自由定義，適應用戶的不同需要。    
    波特率的計算按照計算公式進行，在設置最高波特率時一定要考慮模擬串口程序代碼的執行時間，該定時時間必須大于模擬串口的程序的規定時間。單片機的執行速度越快，則可以實現更高的串口通訊速度。     
    3、軟件UART設計的實現     
    本程序在宏晶科技(深圳)生產的STC12C1052高速單片機上進行運行測試，STC12C1052單片機是單時鐘/機器周期的MCS51內核單片機，與89C2051引腳完全兼容，其工作頻率達35MHz，相當與420MHz的89C2051單片機，每片人民幣3.8元。由于該單片機的高速度，使得軟件擴展串口的方法，更方便實現高速的串口。    
    本擴展串口的設計中，STC12C1052使用的晶振頻率為22.1184Mhz，以波特率的3倍計算定時時間，在接收過程中以此定時進行接收起始位的采樣，在發送和接收過程中再3分頻得到標準波特率定時，進行數據發送與接收。     
    3.1、數據定義     
    定義模擬串口程序所必須的一些資源，如I/O引腳、波特率、數據緩沖區等。    
    #define Fosc 22118400 //晶振頻率    
    #define Baud 38400//波特率    
    #define BaudT (Fosc/Baud/3/12)    
    #define BufLong 16//FIFO長度    
    sbit RxD1=P1^7; //模擬接收RxD    
    sbit TxD1=P1^6; //模擬發送TxD    
    bit Brxd1,Srxd1;//RxD檢測電平    
    BYTE Rbuf1[BufLong];//FIFO接收區    
    BYTE Rptr1,Rnum1;    
    BYTE Tbuf1[BufLong];//FIFO發送區    
    BYTE Tptr1,Tnum1;    
    BYTE TimCnt1A,TimCnt1B;     
    BYTE Mtbuf1,Mrbuf1,TxdCnt1,RxdCnt1;     
    3.2、數據接收子程序     
    數據接收過程中，依次存儲RxD的邏輯位形成字節數據，當數據接收完畢且停止位為1時，表示接收到了有效數據，就將結果存儲到接收FIFO隊列中去。    
    　　void Recv()    
    　　{    
    　　 if(RxdCnt1>0) //存數據位8個    
    　　 {    
    　　Mrbuf1>>=1;    
    　　if(RxD1==1) Mrbuf1=Mrbuf1|0x80;    
    　　 }   
    　　 RxdCnt1--;    
    　　 if(RxdCnt1==0&& RxD1==1) //數據接收完畢    
    　　 {     
    　　Rbuf1[Rptr1]=Mrbuf1; //存儲到FIFO隊列    
    　　if(++Rptr1>BufLong-1) Rptr1=0;    
    　　if(++Rnum1>BufLong) Rnum1=BufLong;    
    　　 }    
    　　}     
    3.3、數據發送子程序     
    該程序過程中，當數據發送狀態結束時，檢測發送FIFO隊列是否為空，若非空則取出發送數據，然后啟動發送狀態；當處于發送狀態時，則按照狀態機的狀態進行起始位、數據位和停止位的發送。    
    　　void Send()    
    　　{    
    　　 if(TxdCnt1!=0) //字節發送狀態機    
    　　 {    
    　　 if(TxdCnt1==11) TxD1=0;//發起始位0    
    　　 else if(TxdCnt1>2) //發數據位    
    　　 { Mtbuf1>>=1; TxD1=CY;}    
    　　 else TxD1=1; //發終止位1    
    　　 TxdCnt1--;    
    　　 }    
    　　 else if(Tnum1>0) //檢測FIFO隊列    
    　　 {    
    　　 Tnum1--;    
    　　 Mtbuf1=Tbuf1[Tptr1]; //讀取FIFO數據    
    　　 if(++Tptr1>=BufLong) Tptr1=0;    
    　　 TxdCnt1=11; //啟動發送狀態機    
    　　 }    
    　　}     
    3.4、中斷程序     
    中斷定時時間為波特率定時的1/3，即以3倍的波特率對RxD進行采樣，實現起始位的判別，當起始位到達時啟動接收過程狀態機。將該定時進行3分頻再調用數據的發送和接收過程，進行準確波特率下的串口通信。    
    　　void Uart() interrupt 1 using 1    
    　　{    
    　　 if(RxdCnt1==0 ) //接收起始識別    
    　　 {    
    　　if(RxD1==0 && Brxd1==0 && Srxd1==1) { RxdCnt1=8; TimCnt1B=0;}   
    　　 }    
    　　 Srxd1=Brxd1; Brxd1=RxD1;    
    　　 if(++TimCnt1B>=3 && RxdCnt1!=0) { TimCnt1B=0; Recv();}//數據接收     
    　　 if(++TimCnt1A>=3) { TimCnt1A=0; Send();} //數據發送    
    　　}     
    3.5、串口初始化     
    打開定時器的中斷，將定時器的設置為自裝載模式，依照波特率設置定時中斷的定時間隔，啟動定時器，并進行UART各變量的初始化。    
    　　void IniUart()    
    　　{    
    　　 IE="0x82"; TMOD="0x22";     
    　　 TH0=-BaudT; TL0=-BaudT; TR0=1;    
    　　 Rptr1=0;Rnum1=0;Tptr1=0;Tnum1=0;    
    　　}  
    4、結束語    
    本文提出的模擬串口設計方法，其獨特之處在于：僅僅使用任意2個普通I/O引腳和1個定時中斷實現了全雙工串口，對硬件的占用較少，具有多可串口擴展能力；在串口接收的起始位判別時采用了連續3次采樣的判別方法，該方法實現簡單、準確率高；用定時中斷實現了串口
    數據的發送和接收，并實現了FIFO隊列，使串口發送和接收工作效率高。    
    作者在實際應用中已利用該方法在STC12C1052單片機上實現了5個串口的擴展，用于醫療監護儀多個模塊數據接收，效果令人滿意。隨著單片機處理速度的提高，該方法可以替代串口擴展芯片，大大降低系統的硬件成本，由于采樣C語言開發，所以可以很方便地移植到AVR、PIC、C8051等高速單片機。

STM32/STM8

意法半導體/ST/STM