串口通信的本质.doc

单片机串行通信接口扩展技术
日期：2005-8-31 20:48:47 人气：0 查看:[大字体 中字体 小字体]

作者：佚名
摘 要：本文介绍了分时共用和I/O口模拟这两种串行通信接口扩展技术。利用此技术可解决调试和实际应用过程 中，单片机串行通信接口不够或者没有串行通信接口的问题。

关键词：串行通信接口，分时共用，I/O口模拟

前言

　　单片机的串行通信接口提供了与外设通信极大的方便性，虽然大多数单片机都具有硬件SCI(Serial Communications Interface)，但也有一些产品没有SCI，如Motorola的MC68HC908JL3等，对于这些产品的用户来说这是一个缺憾。而且，一般八位单片机只有一个SCI，但在很多实际应用，需要更多的串行通信接口。例如在基于Modem的远程控制系统中，单片机与PC机通信的同时，还需要与Modem芯片进行通信；而在多机系统中，单片机需要与其他主机通信，另外也需要与本机控制台通信。所以利用单片机自身的资源进行串行通信接口的扩展很有意义。

　　笔者在开发的过程中，总结了一些串行通信接口的扩展技术：分时共用，I/O口模拟。前者利用MCU自身的硬件SCI，通过控制逻辑分时共享使用同一串行通信接口，后者在不增加硬件的条件下，充分利用MCU自身的资源利用I/O口模拟串行通信接口。

串行通信接口原理

　　单片机的SCI是一个通用异步接收器/发送器UART（Universal Asynchronous Receiver /Transmiter）类型的异步通信接口，通过串行通信协议（如RS-232协议）同主机系统通信。

　　在一般应用中，MCU简单地把数据写入数据寄存器即可实现一个字符的串行发送，SCI系统完成发送数据的所有细节工作，包括附加起始位和停止位以符合串行格式。SCI的接收器自动探测一个字节的起始位，并通过采样接收数据。接收串行数据并变换成并行数据的所有工作均由SCI完成，不需要MCU的干预。接收到数据后，MCU简单地从数据接收寄存器读取数据即可。

　　SCI使用标准不归零（NRZ）格式（一个起始位，8个或9个数据位和一个停止位），最常用的格式数据位是8位的，如图1所示。

NRZ数据格式的基本特点如下：
高电平为逻辑1，低电平为逻辑0；
发送/接收数据空闲时TXD、RXD线为高电平；
发送/接收数据串的第一位是起始位（逻辑0）；
数据的最低位LSB首先被发送/接收；
数据串的最后一位（第10位或第11位）是停止位（逻辑1）。

分时共用技术

　　分时共用串行通信接口技术利用MCU自身的硬件SCI，通过控制逻辑分时共享使用同一串行通信接口。控制逻辑分时共用串行通信接口的原理图如图2所示。

　　图2中U1为74HC32（或门），U2为74HC04（非门），U3为74HC08（与门）。RXD、TXD为从MCU直接引出的SCI接收引脚和发送引脚，PTC0为MCU的I/O口，在此定义为输出，用于控制逻辑片选。当PTC0为高电平时，U1的2引脚和13引脚输入为高，3引脚和11引脚输出恒为高，即TXD1输出恒为高，RXD1输入被屏蔽；而U1的5引脚和10引脚输入为低，6引脚输出为TXD的电平，8引脚输出为RXD2的电平，此时TXD2的输出和RXD2的输入与MCU的TXD和RXD相一致。相反，当PTC0为低电平时，TXD2输出恒为高，RXD2输入被屏蔽，TXD1的输出和RXD1的输入与MCU的TXD和RXD相一致。10K的上来电阻R1确保在初始状态下，即使PTC0未初始化的情况下，PTC0的电平为高，即初始状态下TXD2和RXD2有效。

　　通过这种逻辑控制方式，在PTC0的控制下，TXD1、RXD1和TXD2、RXD2可以轮流使用MCU的串行通信接口，达到分时共享的目的。这种方式可应用于两个串行通信无需同时进行的场合。

I/O口模拟技术

　　I/O口模拟串行通信接口技术在不增加硬件的条件下，充分利用MCU自身的资源利用I/O口模拟串行通信接口，即利用I/O口做一个软件串口。软串口的发送和接收时序和硬件SCI一样，空闲状态为高电平，起始位为低电平，数据最低位LSB在前，依次到最高位MSB，最后是停止位，停止位为高电平，具体时序见图1。

　　这里给出利用MC68HC908GP32的两个普通的I/O引脚PTD4和PTD5实现的软件串口。在MCU总线时钟为2.4576MHz的条件下，波特率为4800，一个起始位，8个数据位，无校验位，一个停止位。程序用C语言编写，编译环境为Hiware C编译器。程序清单如下。

宏定义

#define exit_critical asm sei //关中断
#define enter_critical asm cli //开中断
#define idle asm nop //空闲指令
#define bit5 0x20 //定义位值
#define bit4 0x10
#define RX bit4 //定义SCI接收引脚
#define TX bit5 //定义SCI发送引脚

主程序

主程序完成接收、发送引脚的初始化，调用输入和输出函数
void main_loop(void)
{
unsigned char input;
…… //程序其他初始化
PORTD |= bit5; //SCI发送引脚初始化
DDRD |= bit5; //定义SCI发送引脚为输出
DDRD &= ~bit4; //定义SCI接收引脚为输入
input = getchar(); //调用SCI输入函数
putchar(input); //调用SCI输出函数
……
}

延时程序

　　为了保证发送和接收延时的精度，采用精简的嵌入式汇编语言编写。延时时间计算公式为（6 n+4）个总线周期。
void delay_time(char n)
{
asm{
L1:
DECA //1个总线周期
CMP #0 //2个总线周期
BGT L1 //3个总线周期
RTS //4个总线周期
}
}

发送函数

　　MCU总线时钟为2.4576MHz，发送数据遵循NRZ格式：一个起始位，8个数据位，无校验位，一个停止位。波特率为4800，即每位208 S。发送时直接逐位发送，相邻位间的延迟时间为208 S。延时控制通过反汇编代码，参看每条反汇编指令的周期数，进行计算。
void putchar(unsigned char outchar)
{
unsigned char count;
exit_critical; //关中断
PORTD &= ~TX; //输出起始位，低电平
for(count=0;count<8;count++) //8位数据输出
{
delay_time(80); //延时，确保相邻数据位间的间隔为208 S
if((outchar&bit0)==0)
PORTD &= ~TX; //输出位为0，输出低电平
else //输出位为1，输出低电平
{
PORTD |= TX;
idle; //补足空指令，使两种情况执行指令相同
idle;
idle;
}
outchar = outchar>>1; //数据右移，欲输出的位移至最低位
}
delay_time(80); //延时，确保数据MSB与停止位间间隔为208 S
PORTD |= TX; //输出停止位，高电平
delay_time(80); //延时，控制停止位时间长度为208 S
enter_critical; //开中断
}

接收函数

　　接收函数循环检测起始位的发生，一旦检测到起始位，起始位后大约300 S后，也就是从数据最低位LSB的中间位置起按一定的时间间隔逐位采样，相邻位间开始采样的时间间隔位208 S，为了提高抗干扰能力，每位采样三次。
unsigned char getchar(void)
{
unsigned char inchar count temp i;
do{
}while((PORTD&RX) != 0); //检测起始位
delay_time(118); //起始位后300 s开始采样
for(count=0;count<8;count++) //数据位8位，由低至高接收（LSB至MSB）
{
inchar = inchar>>1; //数据右移，保证最终接收到数据位在最高位
for(i=0 temp=0;i<3;i++) //采样三次
{
if((PORTD&RX) != 0) temp += 1; //采样值为1
else //采样值为0
{
idle; //补足空指令，使两种情况执行指令相同
idle;
idle;
idle;
idle;
}
}
temp /=3; //3次采样值之和除以3
if(temp != 0) inchar |= bit7; //商位1，接收位为高电平
else //商位0，接收位为低电平
{
inchar &= ~bit7;
idle; //补足空指令，使两种情况执行指令相同
idle;
idle;
} delay_time(64); //延时，确保相邻位间开始采样的时间间隔位208 S
}
for(i=0 temp=0;i<3;i++)
{
if((PORTD&RX) != 0) temp += 1; //采样值为1
else //采样值为0
{
idle; //补足空指令，使两种情况执行指令相同
idle;
idle;
idle;
idle;
}
}
temp /=3; //3次采样值之和除以3
if(temp != 0) return(inchar); //停止位正确返回接收数据
else return(-1); //停止位错误返回-1
}