一種基于C8051F310的UART擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)

　引言

　　UART數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議作為一種簡單的數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議，被大量的使用在當(dāng)前各種數(shù)字外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸上。但是現(xiàn)在的PC機(jī)存在無UART接口或接口較少的問題，當(dāng)需要利用PC機(jī)對(duì)于多個(gè)數(shù)字設(shè)備同時(shí)處理問題時(shí)，就需要在PC機(jī)上進(jìn)行UART擴(kuò)展，這類問題在筆記本PC上尤為突出。通常這種問題的解決方法有以下幾種方法：(1)利用USB接口通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(2)利用PCI總線轉(zhuǎn)換卡獲得多個(gè)UART接口的擴(kuò)展。前者優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)簡單設(shè)備，成本低。后者優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口擴(kuò)展且功能完善。但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)兩者都存在一個(gè)共同的問題，即利用擴(kuò)展獲得UART接口其工作性能不夠穩(wěn)定，且存在不能完全實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART接口的實(shí)時(shí)通訊。

　　為解決上述硬件方法在工程實(shí)現(xiàn)存在的不足，本文針對(duì)項(xiàng)目實(shí)際需要提出了一種利用C8051F310單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多UART接口擴(kuò)展方法。通過單片機(jī)作為數(shù)據(jù)收發(fā)的中繼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于多個(gè)UART采集的需要。

　　UART數(shù)據(jù)發(fā)送

　　8位UART數(shù)據(jù)傳輸主要利用RX，TX信號(hào)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸(如圖1)。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)接收時(shí)，數(shù)據(jù)線RX首先處于接收準(zhǔn)備狀態(tài)即RX呈高電平，根據(jù)UART數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議，如果RX線有數(shù)據(jù)接收時(shí)，RX線被置為低電平，接收起始位，在起始位后是為數(shù)據(jù)位，當(dāng)最后一幀數(shù)據(jù)接收完畢后，產(chǎn)生終止，終止位的作用為將RX線電平置高，是RX線處于等待狀態(tài)。

　　發(fā)送通過對(duì)于TX線上信號(hào)電平的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送初始狀態(tài)下TX線處于高電平，當(dāng)啟動(dòng)發(fā)送后將TX線電平置低產(chǎn)生起始位，在一個(gè)波特率時(shí)鐘周期后將開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后重新將TX電平置高使發(fā)送機(jī)處于等待狀態(tài)。

　　單個(gè)UART實(shí)現(xiàn)方法

　　本文利用C8051F310單片機(jī)作為軟件UART實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，主要方法是通過單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生波特率，根據(jù)波特率確定的位時(shí)間定時(shí)讀取(或發(fā)送)位數(shù)據(jù)信號(hào)，從而模擬了硬件UART的工作過程。具體的實(shí)現(xiàn)方法如下所述。

　　(1)硬件連接

　　在UART的軟件實(shí)現(xiàn)中主要是利用單片機(jī)模擬硬件UART的發(fā)送過程，因此我們利用C8051F310單片機(jī)中定時(shí)器T0工作的雙八位定時(shí)模式用于產(chǎn)生波特率，PC機(jī)A0工作在邊沿捕捉狀態(tài)以捕捉SW_RX端口的電平變化產(chǎn)生，判斷數(shù)據(jù)接收的初始和終止。具體的硬件連接如圖2。

(2)軟件實(shí)現(xiàn)

　　發(fā)送狀態(tài)機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)：將數(shù)據(jù)進(jìn)入到發(fā)送緩沖寄存器，然后置SW_TX端口為低電平，啟動(dòng)發(fā)送，裝載波特率源，此后每經(jīng)過1/2個(gè)位時(shí)間后通過移位操作將發(fā)送緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)按位改變SW_TX數(shù)據(jù)線電平從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

　　接收狀態(tài)機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)：當(dāng)PCA0模塊捕捉到SW_RX下邊沿后為產(chǎn)生中斷，捕捉接收起始位，然后轉(zhuǎn)載波特率，此后每1/2個(gè)位時(shí)間讀取SW_RX線數(shù)據(jù)位，通過移位操作進(jìn)入接收緩存。在第九位是由PCA0捕捉停止位，完成接收。[!--empirenews.page--]

　　多個(gè)UART的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)

　　由于軟件UART主要利用中斷來控制接收和發(fā)送的，因此，當(dāng)進(jìn)行多個(gè)UART擴(kuò)展是不可避免的遇到了由于中斷處理時(shí)間對(duì)于UART上發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的位時(shí)間對(duì)準(zhǔn)問題。根據(jù)UART傳輸原理為了保證接收的準(zhǔn)確性一般采用在1/2個(gè)位時(shí)間處讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)。因此無論進(jìn)行多少個(gè)UART擴(kuò)展其總的時(shí)間開銷應(yīng)小于1/2個(gè)位時(shí)間，因此當(dāng)配置多個(gè)UART擴(kuò)展時(shí)傳輸?shù)牟ㄌ芈适怯邢拗频摹Ｍ瑫r(shí)為了盡可能的多擴(kuò)展UART應(yīng)當(dāng)盡量采用較高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

　　在本設(shè)計(jì)中利用C8051F310實(shí)現(xiàn)了4路UART擴(kuò)展。分別利用定時(shí)器T0，定時(shí)器T2，定時(shí)器T3和PCA定時(shí)器作為波特率產(chǎn)生定時(shí)器。設(shè)定波特率為9600b/s。

　　考慮中斷處理時(shí)間，前文提到了總的中斷處理時(shí)間應(yīng)小于1/2個(gè)位時(shí)間，考慮了最差情況，即4路中斷同時(shí)并發(fā)的情況，一般而言此種情況是不常發(fā)生的，因此，認(rèn)為只要滿足下式：

　　即可滿足n個(gè)UART擴(kuò)展的要求，其中為平均中斷處理時(shí)間。

　　對(duì)于中斷時(shí)間的測定，可采用在中斷開始和中斷結(jié)束處設(shè)置斷點(diǎn)讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值方式獲得。

　　由此可以看出能否盡量多的擴(kuò)展一定波特率要求的UART，主要是控制中斷處理的時(shí)間采用盡量少的中斷處理完成讀取和發(fā)送的I/O端口控制，以及相應(yīng)的移位操作，一般接收狀態(tài)機(jī)中中斷時(shí)間較長，而中斷發(fā)送機(jī)時(shí)間較短。

　　多串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議

　　本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)多串口軟件擴(kuò)展的目的是為了解決端口不足的問題，利用一個(gè)串口實(shí)現(xiàn)對(duì)于多個(gè)UART設(shè)備的通訊，同時(shí)克服硬件擴(kuò)展中信道占用問題，因此需要編制數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。

　　下行數(shù)據(jù)的讀取

　　UART設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送可以分為兩類：分為主從式和直發(fā)式，主從式數(shù)據(jù)的獲取需要先向設(shè)備發(fā)送指令，通過指令獲取相應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)。直發(fā)式設(shè)備則無論處于何種狀態(tài)，系統(tǒng)加電后按照預(yù)定數(shù)據(jù)協(xié)議向上發(fā)送數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中同時(shí)存在這兩類設(shè)備。

　　對(duì)于直發(fā)式設(shè)備本設(shè)計(jì)采用直接利用一路軟件UART獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)預(yù)先開辟好的一組存儲(chǔ)區(qū)域中，對(duì)于主從式設(shè)備本設(shè)計(jì)采用由單片機(jī)按照其最小工作周期連續(xù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的方式(即利用單片保持?jǐn)?shù)據(jù)的最小采集周期更新)。

　　采集的時(shí)序安排，由于下掛的各種設(shè)備數(shù)據(jù)采集周期不同，因此不可避免的存在各種數(shù)據(jù)采集的時(shí)序問題，由于采用中斷方式進(jìn)行采集，這種時(shí)序的安排體現(xiàn)在了中斷的優(yōu)先級(jí)安排上。為了最大限度的保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，應(yīng)將數(shù)據(jù)周期較長的設(shè)備設(shè)定為高優(yōu)先級(jí)中斷，這樣在其設(shè)備采集設(shè)備的同時(shí)可以更新其他低速設(shè)備。

　　上行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)

　　上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)采用指令方式，即利用指令判斷從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中獲取那些設(shè)備的數(shù)據(jù)。通過這種方式把原來兩類設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方式統(tǒng)一到了主從式上。

上行器件命令的發(fā)送

　　主要采用協(xié)議地址的方式判明指令針對(duì)的設(shè)備，需要在單片機(jī)中對(duì)于指令按照預(yù)先編制的指令協(xié)議進(jìn)行指令的解析，形成針對(duì)各自設(shè)備的指令碼向下轉(zhuǎn)發(fā)。具體的數(shù)據(jù)協(xié)議控制圖見圖3，多串口硬件見圖4。

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　　實(shí)驗(yàn)

　　(1)為了驗(yàn)證單個(gè)軟件UART可用首先利用串口調(diào)試助手隨機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，選擇不同的自動(dòng)發(fā)送周期，每個(gè)發(fā)送周期連續(xù)1000字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送檢驗(yàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送錯(cuò)誤率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

　　通過以上數(shù)據(jù)我們可以看到軟件UART在發(fā)送和接收時(shí)間上存在延遲，因?yàn)槔弥袛嗪蛦纹瑱C(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)造成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，這是不可避免的，只要保證較高的單片機(jī)時(shí)鐘頻率，這種延時(shí)可以盡量的減小。其次當(dāng)發(fā)送周期較短時(shí)，擴(kuò)展串口的錯(cuò)誤較高，但是延遲到50ms發(fā)送周期后這種錯(cuò)誤基本解決。因此當(dāng)傳輸周期越長，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率越低。
　(2)定波特率下，4UART同時(shí)工作的測試結(jié)果見表2。

　　波特率上升到115200b/s時(shí)，UART傳輸出現(xiàn)大幅錯(cuò)誤，基本無正常數(shù)據(jù)。

　　(3)接入實(shí)際設(shè)備后輸出結(jié)果，發(fā)送指令碼：0xaa，取4設(shè)備數(shù)據(jù)。

　　由于設(shè)備1采集周期最長達(dá)到300ms，因此其優(yōu)先級(jí)最高。且設(shè)備1一直發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于設(shè)備1，一直向上發(fā)送數(shù)據(jù)，其他端口數(shù)據(jù)無法接收，當(dāng)設(shè)備一端口被關(guān)閉后其他端口才可接收已經(jīng)發(fā)送數(shù)據(jù)。表明此前其他端口設(shè)備數(shù)據(jù)被暫時(shí)保存在了硬件的緩存當(dāng)中。

　　結(jié)語

　　通過實(shí)驗(yàn)表明在特定波特率條件下利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的UART端口可以具有較好的穩(wěn)定性，且延遲時(shí)間可以被接收，同時(shí)利用協(xié)議方式可以有效地避免硬件擴(kuò)展串口存在的信道堵塞問題。對(duì)于一般PC擴(kuò)展而言是一種很好的選擇。但同時(shí)可以看到這種方法在通用性上同硬件擴(kuò)展有很大差距，必須根據(jù)特定設(shè)備編寫特定協(xié)議，并且利用編程模擬的UART接口對(duì)于波特率和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間上具有很高的要求，因此對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的場合并不使用。