UART

串行數據通訊時，數據按位傳送，任何時候線上僅有一位數據。因此收、發雙方必須同步，以從二進制位流中正確地讀出每一位數據。異步串行通訊中，收、發方的同步不采用時鐘線來進行，而是由通訊雙方約定一個波特率，每一個傳送單元通過一個“起始位”來同步。當接收方監測到一個有效起始位，便按照約定的波特率的一個倍頻(例如16倍頻)對數據進行采樣接收。由于每一個傳送單元的位數較少(通常不超過11位)，而接收采樣的頻率要高于通訊波特率，即使收發雙方的時基存在一定誤差，仍然可以保證準確的通訊。

在空閑狀態，傳送線為邏輯“1”狀態。數據的傳送總是以一個“起始位”開始的，接著是要傳送的若干數據位，低位先行，最后是一個“1”狀態的“停止位”。例如在文檔中用“9600 N.8.1”描述一個UART，就表示UART使用9600bps的波特率，幀格式為一個起始位、8個數據位、一個停止位。

當接收方檢測到一個“1”向“0”的跳變，便視為可能的起始位。起始位被確認后，依次接收數據位和停止位，若檢測不到正確的停止位，可視為傳送出錯而放棄。

下面以Holtek的HT49R70在復費率電表中的應用為例，說明如何實現一個符合實際使用要求的軟件UART。

硬件接口

HT49R70片內集成了41×3或40×4段的LCD驅動器，特別適用于多種LCD低功耗應用。單周期指令和二級流水線結構使得HT49系列適合各種高速處理的應用。

HT49R70其他資源有：8K×16位的程序存儲器ROM， 224×8位的數據存儲器RAM，16級堆棧，8位輸入口，16位雙向輸入/輸出口，2個外部中斷輸入，一個8位和一個16位的帶PFD(可編程分頻器)功能可編程定時/計數器，看門狗定時器，帶8位前置分頻器的RTC，蜂鳴器輸出，內置晶振、RC和32768Hz的振蕩電路，低電壓復位電路。

圖1為復費率電表中的485接口電路。這里使用了3根口線，配合MAX481實現一個半雙工的485接口。

由于應用中的其他任務對實時性的要求，這里使用了一個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現軟件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時鐘，并且對主程序的運行效率有較大的影響。在使用外部中斷后，UART部分僅在通訊發生時才占用MCU，空閑時對主程序沒有影響。

軟件實現

用軟件實現UART時，本機發送相對容易，只要按UART時序要求在發送線上維持正確的電平即可。關鍵是數據接收，對接收方而言，接收事件的發生完全是隨機的。必須監視接收線上任何時刻的電平變化，一旦確認收到有效的起始位，軟件UART即開始接收數據。

波特率發生

使用一個定時器為接收和發送產生波特率。由于使用的是軟件UART，發送和接收時的時基頻率是不一樣的。發送時的時基頻率與通訊波特率相同，而接收時接收數據的采樣頻率實際為波特率的16倍頻。這里最終實現的是一個半雙工的485接口，發送和接收不會同時發生，因而可以用一個定時器來產生發送和接收所需的時間基準。 

例如，對應1200bps的波特率，數據每一位的寬度為Td=s=833ms。發送數據時，每一位數據的電平都必須維持這個寬度。接收數據時以波特率的16倍頻采樣，采樣周期為Tw==52ms。(見圖2)。

發送

數據發送只需按照UART時序在發送線上產生波形即可。 圖3中Send函數準備好發送數據，Timer1設為833ms定時，并且開放中斷,同時將通訊狀態置為忙。

圖4中ISRTimer1Send為Timer1中斷服務程序中處理發送的函數，ISRTimer1Send函數將包括起始位、數據位、停止位的數據按規定的順序和寬度，按位發送到發送端上。直到所有位發送完畢，將通訊狀態置為空閑。

接收

接收不是由本機啟動，而是由一個外部事件觸發的。 在空閑狀態時，若接收線上出現一個下降沿，即視為一個可能的起始位，應該對其再次采樣加以確定。一個真實的起始位，其低電平維持時間為Td。我們在起始位的中間時刻，以波特率的16倍頻對接收線采樣三次，經多數表決確認其電平狀態。狀態為高，表明是一個干擾信號，UART仍回到空閑狀態。若確認接收線的狀態為低，則這個起始位得到確認，UART開始接收后續數據。每一位的接收方式與起始位確認方式一樣，UART對接收線的采樣時序參見圖2。接收完畢UART又回到空閑狀態。如果最后的停止位出錯，則這一幀數據接收失敗，放棄接收到的數據。UART的接收狀態轉換圖見圖5。

在UART的空閑狀態，Rx的下降沿觸發外部中斷INT0，INT0中斷服務程序將Timer1定時設為8Tw。時間到，Timer1定時改為Tw，以Tw為周期對Rx連續采樣3次以確認起始位。

當起始位被確認，UART進入數據接收狀態，Timer1定時改為14Tw以采樣下一位數據，每一位數據也是以Tw為周期對Rx連續采樣3次。這期間Timer1的定時會根據需要設為Tw或14Tw，參見圖2。停止位接收完畢，標記接收有效或出錯，同時UART回到空閑狀態。

結語

本文介紹了用軟件方式構建UART的一種方法，占用的MCU資源包括一個外部中斷和一個定時/計數器。這種方法可以實現較高的通訊波特率，并且在通訊過程中仍可以保證主任務的實時性。采用8M晶振時，通訊波特率可以達到9600bps。以上方案在復費率電子電能表中得到了很好的驗證。