C8051F310設計的UART擴展實現

　UART數據發送協議作為一種簡單的數據發送協議，被大量的使用在當前各種數字外設的數據傳輸上。但是現在的PC機存在無UART接口或接口較少的問題，當需要利用PC機對于多個數字設備同時處理問題時，就需要在PC機上進行UART擴展，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接口通過相應的轉換設備進行轉換。

(2)利用PCI總線轉換卡獲得多個UART接口的擴展。前者優點在于實現簡單設備，成本低。后者優點在于可以實現多個接口擴展且功能完善。但在實際使用中發現兩者都存在一個共同的問題，即利用擴展獲得UART接口其工作性能不夠穩定，且存在不能完全實現多個UART接口的實時通訊。

　　為解決上述硬件方法在工程實現存在的不足，本文針對項目實際需要提出了一種利用C8051F310單片機實現多UART接口擴展方法。通過單片機作為數據收發的中繼器，實現對于多個UART采集的需要。

　　UART數據發送

　　8位UART數據傳輸主要利用RX，TX信號線實現數據的雙向傳輸(如圖1)。

　　當數據接收時，數據線RX首先處于接收準備狀態即RX呈高電平，根據UART數據發送協議，如果RX線有數據接收時，RX線被置為低電平，接收起始位，在起始位后是為數據位，當最后一幀數據接收完畢后，產生終止，終止位的作用為將RX線電平置高，是RX線處于等待狀態。

　　發送通過對于TX線上信號電平的操作實現對于數據的發送，發送初始狀態下TX線處于高電平，當啟動發送后將TX線電平置低產生起始位，在一個波特率時鐘周期后將開始發送數據，數據發送完畢后重新將TX電平置高使發送機處于等待狀態。

　　單個UART實現方法

　　本文利用C8051F310單片機作為軟件UART實現的平臺，主要方法是通過單片機的定時器產生波特率，根據波特率確定的位時間定時讀取(或發送)位數據信號，從而模擬了硬件UART的工作過程。具體的實現方法如下所述。

　　(1)硬件連接

　　在UART的軟件實現中主要是利用單片機模擬硬件UART的發送過程，因此我們利用C8051F310單片機中定時器T0工作的雙八位定時模式用于產生波特率，PC機A0工作在邊沿捕捉狀態以捕捉SW_RX端口的電平變化產生，判斷數據接收的初始和終止。具體的硬件連接如圖2。

(2)軟件實現

　　發送狀態機軟件實現：將數據進入到發送緩沖寄存器，然后置SW_TX端口為低電平，啟動發送，裝載波特率源，此后每經過1/2個位時間后通過移位操作將發送緩沖寄存器中的數據按位改變SW_TX數據線電平從而實現數據的發送。

　　接收狀態機軟件實現：當PCA0模塊捕捉到SW_RX下邊沿后為產生中斷，捕捉接收起始位，然后轉載波特率，此后每1/2個位時間讀取SW_RX線數據位，通過移位操作進入接收緩存。在第九位是由PCA0捕捉停止位，完成接收。

　　多個UART的擴展實現

　　由于軟件UART主要利用中斷來控制接收和發送的，因此，當進行多個UART擴展是不可避免的遇到了由于中斷處理時間對于UART上發送數據和接收數據的位時間對準問題。根據UART傳輸原理為了保證接收的準確性一般采用在1/2個位時間處讀取和發送數據。因此無論進行多少個UART擴展其總的時間開銷應小于1/2個位時間，因此當配置多個UART擴展時傳輸的波特率是有限制的。同時為了盡可能的多擴展UART應當盡量采用較高的系統時鐘頻率。

　　在本設計中利用C8051F310實現了4路UART擴展。分別利用定時器T0，定時器T2，定時器T3和PCA定時器作為波特率產生定時器。設定波特率為9600b/s。

　　考慮中斷處理時間，前文提到了總的中斷處理時間應小于1/2個位時間，考慮了最差情況，即4路中斷同時并發的情況，一般而言此種情況是不常發生的，因此，認為只要滿足下式：

　　即可滿足n個UART擴展的要求，其中為平均中斷處理時間。

　　對于中斷時間的測定，可采用在中斷開始和中斷結束處設置斷點讀取定時器計數值方式獲得。

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

　　多串口數據轉發協議

　　本設計中實現多串口軟件擴展的目的是為了解決端口不足的問題，利用一個串口實現對于多個UART設備的通訊，同時克服硬件擴展中信道占用問題，因此需要編制數據中繼轉發協議。

　　下行數據的讀取

　　UART設備的數據發送可以分為兩類：分為主從式和直發式，主從式數據的獲取需要先向設備發送指令，通過指令獲取相應設備數據。直發式設備則無論處于何種狀態，系統加電后按照預定數據協議向上發送數據。在本設計中同時存在這兩類設備。

　　對于直發式設備本設計采用直接利用一路軟件UART獲取數據，將數據保存在單片機預先開辟好的一組存儲區域中，對于主從式設備本設計采用由單片機按照其最小工作周期連續采集數據進行存儲的方式(即利用單片保持數據的最小采集周期更新)。

　　采集的時序安排，由于下掛的各種設備數據采集周期不同，因此不可避免的存在各種數據采集的時序問題，由于采用中斷方式進行采集，這種時序的安排體現在了中斷的優先級安排上。為了最大限度的保持數據采集的實時性，應將數據周期較長的設備設定為高優先級中斷，這樣在其設備采集設備的同時可以更新其他低速設備。

　　上行數據的轉發

　　上行數據轉發采用指令方式，即利用指令判斷從數據存儲區中獲取那些設備的數據。通過這種方式把原來兩類設備數據傳輸方式統一到了主從式上。上行器件命令的發送

　　主要采用協議地址的方式判明指令針對的設備，需要在單片機中對于指令按照預先編制的指令協議進行指令的解析，形成針對各自設備的指令碼向下轉發。具體的數據協議控制圖見圖3，多串口硬件見圖4。

　　實驗

　　(1)為了驗證單個軟件UART可用首先利用串口調試助手隨機發送數據，選擇不同的自動發送周期，每個發送周期連續1000字節數據發送檢驗數據接收和發送錯誤率，實驗結果見表1。

　　通過以上數據我們可以看到軟件UART在發送和接收時間上存在延遲，因為利用中斷和單片機對于數據的轉發造成了數據傳輸的延遲，這是不可避免的，只要保證較高的單片機時鐘頻率，這種延時可以盡量的減小。其次當發送周期較短時，擴展串口的錯誤較高，但是延遲到50ms發送周期后這種錯誤基本解決。因此當傳輸周期越長，數據錯誤率越低。(2)定波特率下，4UART同時工作的測試結果見表2。

　　波特率上升到115200b/s時，UART傳輸出現大幅錯誤，基本無正常數據。

　　(3)接入實際設備后輸出結果，發送指令碼：0xaa，取4設備數據。

　　由于設備1采集周期最長達到300ms，因此其優先級最高。且設備1一直發送數據。

　　實驗中發現由于設備1，一直向上發送數據，其他端口數據無法接收，當設備一端口被關閉后其他端口才可接收已經發送數據。表明此前其他端口設備數據被暫時保存在了硬件的緩存當中。

　　結語

　　通過實驗表明在特定波特率條件下利用單片機實現的UART端口可以具有較好的穩定性，且延遲時間可以被接收，同時利用協議方式可以有效地避免硬件擴展串口存在的信道堵塞問題。對于一般PC擴展而言是一種很好的選擇。但同時可以看到這種方法在通用性上同硬件擴展有很大差距，必須根據特定設備編寫特定協議，并且利用編程模擬的UART接口對于波特率和數據傳輸時間上具有很高的要求，因此對于實時性要求較高的場合并不使用。

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