基于51系列单片机的通用软件UART的实现

0 引言

嵌入式系统开发已经进入了32位时代，8位MCU市场趋于稳定，32位的MPU代表着嵌入式技术的发展方向。然而，作为嵌入式系统低端应用的代表，8位单片机在家用电器、仪器仪表等领域仍然被广泛应用；而且随着IC技术的不断发展，单片机的扩展能力越来越强，8位单片机的开发、应用仍然受到很大重视。

随着网络技术和通信技术的不断发展，对单片机的通信能力要求越来越高，异步通信技术通信距离远、节约成本、通信可靠，特别是以其通信速度越来越快的特点广泛应用在分级、分层和分布式控制系统以及远程通信中，尤其适合单机转向多机或联网的应用方向。目前普遍应用的MCS-51系列和其他一些专用的单片机通常只具有一个UART异步串行通信接口，而在实际应用系统中（如在多机通信系统中，主机既要和从机通信又要和终端通信）往往需要多个串行接口。对于三总线开放的单片机，通常的方法是利用Intel 8251或8250通用同步/异步收发器（USART）对系统进行扩展，这就增加了系统开发的硬件开销和成本。而且有些专用单片机（如ST62T32B）的三总线是不开放的，无法用通信接口芯片来扩展接口，给多机通信带来困难。本文仅仅利用51单片机内部的扩展模块（一个I/O端口、一个定时器T/C和一个外部中断INT）实现了一个通用的软件UART，可以以4800、9600、19200的波特率接收和发送数据，没有使用任何外围器件，通信可靠性高，节约了开发成本，而且软件使用C语言编写，具有很好的移植性。该软件UART已在多个单片机系统中应用，工作稳定可靠，是一种可以借鉴的通信方案。

1 异步通信简介

在异步通信中，数据通常是以字符（字节）为单位组成字符帧进行传送的。字符帧由发送端一帧一帧的发送，通过传输线在接收端一帧一帧的接收。发送端和接收端可以有各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立、互不同步。另外，发送端和接收端通过字符帧规定的格式和波特率来协调数据发送和接收。字符帧和波特率是两个重要指标，由用户根据实际情况选择。

字符帧由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分组成，如图1所示，各部分的功能和结构为：

起始位  位于字符帧的开始位置，占一位，使数据线处于space（逻辑0）状态，用于向接收设备表明发送端开始发送数据。

数据位  紧跟起始位之后，根据字符编码方式的不同可取5位、6位、7位和8位。在数据传送过程中，低位在前，高位在后。如传送数据为ASCII码，则常取7位。

奇偶校验位  位于数据位之后，占一位，用于对数据传送作正确性检查。奇偶校验位有三种选择，即奇、偶和无校验，由用户根据需要设定。

停止位  位于字符帧末尾，可占1、1.5和2位，在实际应用中由用户根据需要确定，它对应于mark（逻辑1）状态，用于向接收端表明一帧信息发送完毕[1]。

2 通用软件UART的设计思想

在设计的硬件方面该通用软件UART仅仅使用了51系列单片机的一个通用I/O端口、一个T/C计数定时器和一个外部中断INT，最大限度地降低了系统硬件开销。该软件UART数据发送的设计思想是利用单片机的任意一个I/O端口作通用软件UART的发送端（TxD），通过T/Cx计数定时器设置通信波特率，将数据帧的起始位、数据位、奇偶校验位和停止位依次发送出去；数据接收的设计思想是将单片机的某一个外部中断作为数据接收端（RxD），并且将该中断源设置为下降沿触发方式，以利于及时检测到起始位的space（逻辑0）电平，在中断处理程序中对数据进行接收，这样设计有利于提高UART的响应速度和单片机的利用率。

UART的波特率和采样时钟是利用T/Cx计数定时器实现的。对于不同的波特率，向T/Cx计数定时器赋予不同的初值，然后在指定的波特率下，利用软件实现UART的并行数据到串行数据的转换、每帧数据格式的生成、发送和接收功能。

在本设计中，硬件系统采用正当频率为12M的主晶振，T/Cx记录振荡频率12分频后的脉冲个数（即机器周期个数），即每个机器周期使T/Cx的计数器增加1，直至记满回零后自动产生溢出中断请求。因此，达到指定波特率的定时器初值公式为：

其中， 为定值器初值， 为计数器的模值， 为需要计数的个数[2]-[3]。

表格 1不同波特率对应的定时器初值

由于该通用软件UART发送和接收过程中使用的是同一个定时器，因此是一个半双工的软件UART。在软件中利用宏定义和条件编译实现了根据用户需要对数据帧的格式和波特率进行设置，提高了软件的可移植性。

3 通用软件UART的实现

发送

发送过程采用的是单片机主动控制I/O端口，根据设置好的数据帧格式将数据发送出去，在发送过程中为保证每个发送位的发送时钟相同而将其它无关中断关闭。首先，设定定时器为定时初值，启动定时器，关闭其它无关中断，然后开始发送数据帧；发送完起始位space之后，通过循环结构将移位寄存器中的数据按照从低到高的顺序发送出去，同时计算数据的奇偶校验位，并在发送完数据位之后发送出去，最后发送停止位mark；关闭定时器，开放中断，一帧数据发送结束。发送流程图见图2。

接收

接收过程利用单片机的外部中断实现。将中断源的触发方式设置为下降沿触发，当出现中断时在中断处理程序中接收数据，并将数据放入提前设定的缓冲区内，等待单片机将数据读取。在数据读取的过程中，为了保证数据读取的正确性，必须在每个数据位的中间进行数据采样。在主程序中设置外部中断的触发方式，并将该中断设置为高优先级以保证连续接收数据，然后等待外部中断产生；在中断处理程序中，首先设置定时器初值，启动定时器，关闭其它无关中断；然后等待一个半位时钟，使采样点落在第一个数据位的中间位置，接着通过循环结构将数据读入移位寄存器，同时计算奇偶校验位，接收完毕后如果奇偶校验正确则将数据放到数据缓冲单元中，否则弃之不用；最后关闭定时器，恢复中断。接收流程图见图3。

在接收和发送的过程中需要注意的问题是中断响应时间校准、计数定时器T/C的溢出校准和实时读取。为了能够及时、连续、准确的发送和接收数据帧，在实际的应用过程中需要对定时器初值进行相应的调整，并且在发送和接收的过程中要将无关的中断关闭。

4 结论

本文实现的通用软件UART在多个工程项目中得到应用，并且经过多次改进使之具有了较好的可移植性，加快了系统的开发速度，可以应用在各种51系列的单片机中，并且达到了降低应用系统硬件开销、提高单片机资源利用率的目的。是一种值得推广的系统设计思想。

参考文献
[1] 赵晓.MCS-51单片机原理及应用[M].天津：天津大学出版社,2001.187-200
[2] 何立民.单片机应用技术选篇 6[C].北京：北京航空航天大学出版社,1999
[3] 李伟.基于ST62T32B单片机I/O口的异步串口的软件实现[J].浙江工程学院学报,第20卷,第3期:193-196
[4] 闫玉德,俞虹.MCS-51单片机原理及应用（C语言版）[M].北京：机械工业出版社,2003
[5] 徐爱钧,彭秀华.单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用[M].北京：电子工业出版社,2003