UART

串行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，數(shù)據(jù)按位傳送，任何時(shí)候線上僅有一位數(shù)據(jù)。因此收、發(fā)雙方必須同步，以從二進(jìn)制位流中正確地讀出每一位數(shù)據(jù)。異步串行通訊中，收、發(fā)方的同步不采用時(shí)鐘線來進(jìn)行，而是由通訊雙方約定一個(gè)波特率，每一個(gè)傳送單元通過一個(gè)“起始位”來同步。當(dāng)接收方監(jiān)測(cè)到一個(gè)有效起始位，便按照約定的波特率的一個(gè)倍頻(例如16倍頻)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣接收。由于每一個(gè)傳送單元的位數(shù)較少(通常不超過11位)，而接收采樣的頻率要高于通訊波特率，即使收發(fā)雙方的時(shí)基存在一定誤差，仍然可以保證準(zhǔn)確的通訊。

在空閑狀態(tài)，傳送線為邏輯“1”狀態(tài)。數(shù)據(jù)的傳送總是以一個(gè)“起始位”開始的，接著是要傳送的若干數(shù)據(jù)位，低位先行，最后是一個(gè)“1”狀態(tài)的“停止位”。例如在文檔中用“9600 N.8.1”描述一個(gè)UART，就表示UART使用9600bps的波特率，幀格式為一個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)停止位。

當(dāng)接收方檢測(cè)到一個(gè)“1”向“0”的跳變，便視為可能的起始位。起始位被確認(rèn)后，依次接收數(shù)據(jù)位和停止位，若檢測(cè)不到正確的停止位，可視為傳送出錯(cuò)而放棄。

下面以Holtek的HT49R70在復(fù)費(fèi)率電表中的應(yīng)用為例，說明如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)符合實(shí)際使用要求的軟件UART。

硬件接口

HT49R70片內(nèi)集成了41×3或40×4段的LCD驅(qū)動(dòng)器，特別適用于多種LCD低功耗應(yīng)用。單周期指令和二級(jí)流水線結(jié)構(gòu)使得HT49系列適合各種高速處理的應(yīng)用。

HT49R70其他資源有：8K×16位的程序存儲(chǔ)器ROM， 224×8位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，16級(jí)堆棧，8位輸入口，16位雙向輸入/輸出口，2個(gè)外部中斷輸入，一個(gè)8位和一個(gè)16位的帶PFD(可編程分頻器)功能可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，看門狗定時(shí)器，帶8位前置分頻器的RTC，蜂鳴器輸出，內(nèi)置晶振、RC和32768Hz的振蕩電路，低電壓復(fù)位電路。

圖1為復(fù)費(fèi)率電表中的485接口電路。這里使用了3根口線，配合MAX481實(shí)現(xiàn)一個(gè)半雙工的485接口。

由于應(yīng)用中的其他任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，這里使用了一個(gè)外部中斷作為接收線，用來捕捉起始位。有的完全使用普通口線實(shí)現(xiàn)軟件UART，這種做法從原理上是可能的，但是必須以查詢方式捕捉起始位，要求有較高的MCU時(shí)鐘，并且對(duì)主程序的運(yùn)行效率有較大的影響。在使用外部中斷后，UART部分僅在通訊發(fā)生時(shí)才占用MCU，空閑時(shí)對(duì)主程序沒有影響。

軟件實(shí)現(xiàn)

用軟件實(shí)現(xiàn)UART時(shí)，本機(jī)發(fā)送相對(duì)容易，只要按UART時(shí)序要求在發(fā)送線上維持正確的電平即可。關(guān)鍵是數(shù)據(jù)接收，對(duì)接收方而言，接收事件的發(fā)生完全是隨機(jī)的。必須監(jiān)視接收線上任何時(shí)刻的電平變化，一旦確認(rèn)收到有效的起始位，軟件UART即開始接收數(shù)據(jù)。

波特率發(fā)生

使用一個(gè)定時(shí)器為接收和發(fā)送產(chǎn)生波特率。由于使用的是軟件UART，發(fā)送和接收時(shí)的時(shí)基頻率是不一樣的。發(fā)送時(shí)的時(shí)基頻率與通訊波特率相同，而接收時(shí)接收數(shù)據(jù)的采樣頻率實(shí)際為波特率的16倍頻。這里最終實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)半雙工的485接口，發(fā)送和接收不會(huì)同時(shí)發(fā)生，因而可以用一個(gè)定時(shí)器來產(chǎn)生發(fā)送和接收所需的時(shí)間基準(zhǔn)。 

例如，對(duì)應(yīng)1200bps的波特率，數(shù)據(jù)每一位的寬度為Td=s=833ms。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每一位數(shù)據(jù)的電平都必須維持這個(gè)寬度。接收數(shù)據(jù)時(shí)以波特率的16倍頻采樣，采樣周期為Tw==52ms。(見圖2)。

發(fā)送

數(shù)據(jù)發(fā)送只需按照UART時(shí)序在發(fā)送線上產(chǎn)生波形即可。 圖3中Send函數(shù)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)，Timer1設(shè)為833ms定時(shí)，并且開放中斷,同時(shí)將通訊狀態(tài)置為忙。

圖4中ISRTimer1Send為Timer1中斷服務(wù)程序中處理發(fā)送的函數(shù)，ISRTimer1Send函數(shù)將包括起始位、數(shù)據(jù)位、停止位的數(shù)據(jù)按規(guī)定的順序和寬度，按位發(fā)送到發(fā)送端上。直到所有位發(fā)送完畢，將通訊狀態(tài)置為空閑。

接收

接收不是由本機(jī)啟動(dòng)，而是由一個(gè)外部事件觸發(fā)的。 在空閑狀態(tài)時(shí)，若接收線上出現(xiàn)一個(gè)下降沿，即視為一個(gè)可能的起始位，應(yīng)該對(duì)其再次采樣加以確定。一個(gè)真實(shí)的起始位，其低電平維持時(shí)間為Td。我們?cè)谄鹗嘉坏闹虚g時(shí)刻，以波特率的16倍頻對(duì)接收線采樣三次，經(jīng)多數(shù)表決確認(rèn)其電平狀態(tài)。狀態(tài)為高，表明是一個(gè)干擾信號(hào)，UART仍回到空閑狀態(tài)。若確認(rèn)接收線的狀態(tài)為低，則這個(gè)起始位得到確認(rèn)，UART開始接收后續(xù)數(shù)據(jù)。每一位的接收方式與起始位確認(rèn)方式一樣，UART對(duì)接收線的采樣時(shí)序參見圖2。接收完畢UART又回到空閑狀態(tài)。如果最后的停止位出錯(cuò)，則這一幀數(shù)據(jù)接收失敗，放棄接收到的數(shù)據(jù)。UART的接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖見圖5。

在UART的空閑狀態(tài)，Rx的下降沿觸發(fā)外部中斷INT0，INT0中斷服務(wù)程序?qū)?/SPAN>Timer1定時(shí)設(shè)為8Tw。時(shí)間到，Timer1定時(shí)改為Tw，以Tw為周期對(duì)Rx連續(xù)采樣3次以確認(rèn)起始位。

當(dāng)起始位被確認(rèn)，UART進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，Timer1定時(shí)改為14Tw以采樣下一位數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)也是以Tw為周期對(duì)Rx連續(xù)采樣3次。這期間Timer1的定時(shí)會(huì)根據(jù)需要設(shè)為Tw或14Tw，參見圖2。停止位接收完畢，標(biāo)記接收有效或出錯(cuò)，同時(shí)UART回到空閑狀態(tài)。

結(jié)語

本文介紹了用軟件方式構(gòu)建UART的一種方法，占用的MCU資源包括一個(gè)外部中斷和一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。這種方法可以實(shí)現(xiàn)較高的通訊波特率，并且在通訊過程中仍可以保證主任務(wù)的實(shí)時(shí)性。采用8M晶振時(shí)，通訊波特率可以達(dá)到9600bps。以上方案在復(fù)費(fèi)率電子電能表中得到了很好的驗(yàn)證。