十年專注單片機(jī)方案開發(fā)的方案公司英銳恩，分享軟件模擬USART。英銳恩現(xiàn)提供服務(wù)產(chǎn)品涉及主控芯片：8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)及各類運(yùn)算放大器等。

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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)一路或多路異步串行通信。很多工程師對用軟件實(shí)現(xiàn)的UART在可靠性和效率方面持懷疑態(tài)度，其實(shí)關(guān)鍵問題是看軟件采用何種方式來實(shí)現(xiàn)可靠的UART功能。

　在討論具體實(shí)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)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。
　　　　　　
　　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(diǎn)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(yàn)位和停止位的采樣間隔都是3×ts，所有采樣點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。
　　　　 　　　　
　　本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)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?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(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)一路軟件UART在4 MHz工作頻率下占用MCU約12％的運(yùn)行帶寬。理論上，只要保證MCU留有足夠的運(yùn)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(dú)立），即可實(shí)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(diǎn)間隔獨(dú)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(shí)現(xiàn)；利用同一個定時采樣可以方便地實(shí)現(xiàn)多路軟件UART等。缺點(diǎn)是：不管有無數(shù)據(jù)通信，始終占用MCU運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)高波特率通信，當(dāng)PIC單片機(jī)工作在20 MHz時，實(shí)現(xiàn)9600b/s綽綽有余。

2 起始位中斷捕捉、定時采樣法

　　實(shí)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。
　　　　　　
　　設(shè)串行數(shù)據(jù)位寬度為td。起始位到來時刻（圖4 A點(diǎn)）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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(yùn)行帶寬，9600b/s接收或發(fā)送在4 MHz運(yùn)行的PIC單片機(jī)上即可輕松實(shí)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(shí)現(xiàn)通信喚醒的功能。缺點(diǎn)是不能全雙工通信（除非另外單獨(dú)用一個定時器實(shí)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(shí)際產(chǎn)品設(shè)計中都得到了很好的驗(yàn)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(shí)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(diǎn)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。