利用MAXQ3210實現(xiàn)軟件UART

摘要：許多微控制器具有異步UART (串口)，為兩個器件之間的通信提供了一個簡單途徑，不需要相同的系統(tǒng)時鐘。本應用筆記介紹了一個利用MAXQ3210微控制器的兩個標準端口，通過軟件實現(xiàn)10位異步UART通信的方案。經過簡單修改，還可實現(xiàn)RS-232和RS-485 網絡通信，或與PC的COM口連接。

概述

通用異步收發(fā)器(UART)或串口，是多數(shù)微處理器或微控制器的標準外設。異步串口為兩個微控制器之間(或者是微控制器與從機串口器件之間)的通信提供了一種簡單方式，無需相同的系統(tǒng)時鐘。配合適當?shù)牡碾娖?a target="_blank">轉換器，該串口還可與RS-232、RS-485網絡進行通信，或與PC的COM口連接。串口連接僅需2條信號線(Rx和Tx)及可實現(xiàn)全雙工通信，只要通信兩端設備采用相同的數(shù)據(jù)位格式和波特率，就能成功傳輸數(shù)據(jù)，設備之間無需其它任何信息。

本應用筆記介紹了一種利用軟件實現(xiàn)通用的10位異步串口的方案，設計實例采用了低功耗MAXQ3210微控制器，該控制器不含硬件串口。當具體應用中無法提供足夠的硬件串口時，采用相同方法，可以為任何MAXQ?微控制器，例如MAXQ2000，添加一個或更多的串口。

軟件UART的優(yōu)勢

有人可能會問：目前絕大多數(shù)微控制器都具備功能強大的硬件串口，為什么還會用微控制器的端口引腳實現(xiàn)軟件UART呢？主要原因如下：

盡管多數(shù)微控制器帶有硬件串口，仍然有一些微控制器不具備UART硬件串口。在為系統(tǒng)選擇微控制器時，很難找到滿足各方面要求的完美方案。所以，通過增加微控制器的軟件設計實現(xiàn)某些外設功能可以彌補微控制器的功能“缺陷”，提高設計的靈活性。

有些微控制器具有硬件UART，但出于某種原因，它可能無法勝任具體的設計要求。例如，微控制器需要與一個工作在略有差異的串口協(xié)議的外設通信，或者硬件UART所支持的數(shù)據(jù)位數(shù)、奇偶檢驗、輸入/輸出緩存器不完全符合應用要求。構建軟件UART能夠在UART功能定義、串口協(xié)議的細節(jié)方面提供更大的靈活性。

微控制器可能具有非常適合應用要求的硬件UART，但數(shù)量不夠。此時，除了添加芯片來增加串口數(shù)量以外，還可以簡單地增加一個與微控制器UART功能一致的軟件UART，以滿足系統(tǒng)要求。

軟件UART會占用主程序多大帶寬也非常重要，使用硬件UART (或其它串行通信外設)的主要原因是微控制器不必花費時間處理串行通信的底層協(xié)議。冗長的數(shù)據(jù)位采樣、時隙計數(shù)、輸入/輸出移位均由硬件處理，UART向主微控制器發(fā)出指示信號(中斷或其它指示標志)，表明它已接收到字符或完成一次發(fā)送任務。微控制器可根據(jù)需要快速裝載或卸載UART緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，然后返回處理其核心任務。

簡而言之，軟件UART意味著程序需要花費更多的時間觀察端口引腳的串行通信，有些設計不能接受這種費時操作。

慶幸的是，我們可以在設計軟件UART時避免過多地占用微處理器的時間和資源，下面我們考慮一個字符的收、發(fā)過程，假設采用標準的10位異步串行協(xié)議(1個起始位、1個停止位和8個數(shù)據(jù)位) (圖1)。

圖1. 10位異步串行通信協(xié)議的發(fā)送與接收

一旦開始發(fā)送或接收操作，串行UART (不論是軟件形式還是硬件形式)都不需要連續(xù)監(jiān)視I/O線。發(fā)送一個字符時，UART只需要在每個數(shù)據(jù)位周期驅動一次傳輸線的狀態(tài)，依次建立每個數(shù)據(jù)位的電平，從起始位到數(shù)據(jù)位再到停止位。接收字符時，UART在第一個下降沿開始啟動，下降沿過后，UART僅需要在每位時隙的中間點對傳輸線的狀態(tài)采樣。

軟件UART的功能

我們可將軟件UART的功能描述成一對兒狀態(tài)機：一個用于發(fā)送字符，另一個用于接收字符。對于全雙工UART來說兩個狀態(tài)機并行工作，需要兩個獨立的定時中斷。兩個狀態(tài)機具有啟動模式和停止模式。發(fā)送狀態(tài)機在有字符發(fā)送時退出其空閑狀態(tài)進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送停止位后返回其空閑狀態(tài)。接收狀態(tài)機在檢測到接收線上的一個下降沿時退出其空閑狀態(tài)開始接收數(shù)據(jù)。一旦檢測到低電平起始狀態(tài)(表明起始位已開始)，便開始對數(shù)據(jù)位時隙進行計數(shù)，并根據(jù)需要對數(shù)據(jù)線進行采樣，包括停止位。

為避免過多占用不必要的主程序時間，應該由定時中斷周期性地觸發(fā)UART狀態(tài)機。用于數(shù)據(jù)接收的初始化下降沿檢測通過外部邊沿觸發(fā)中斷單獨處理。如果狀態(tài)機的定時器設置為在每個數(shù)據(jù)位啟動一次中斷，狀態(tài)機在每次觸發(fā)中斷時可以執(zhí)行任何所需操作(必要時可以進入下一狀態(tài))。應盡可能優(yōu)化狀態(tài)機代碼，因為軟件UART工作時將在后臺連續(xù)運行這些代碼。

利用MAXQ3210進行設計

為了了解UART功能需要占用的處理器資源，作為一個范例，我們討論利用Maxim的MAXQ3120實現(xiàn)的軟件UART。該微控制器采用28引腳封裝、5V供電，能夠運行在大約3.57MIPS，包含15個端口引腳，但沒有內部UART。MAXQ3210還包含了適合我們設計要求的其它功能：一個周期性定時器，為發(fā)送和接收狀態(tài)機提供中斷；一個外部中斷，用于檢測接收數(shù)據(jù)線的下降沿。由于MAXQ3210僅有一個周期性定時器，軟件UART將采用半雙工模式，即在某一時刻只能發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，收、發(fā)不能同時進行。實際上，這對于多數(shù)通信和控制協(xié)議來說不成問題。

對于MAXQ3210，接收和發(fā)送狀態(tài)機以及用于設置模式、加載、卸載字符的子程序可通過171個指令字實現(xiàn)。例如，發(fā)送狀態(tài)機只有三個狀態(tài)(數(shù)據(jù)位、停止位和返回空閑)，如下所示：

intTX_bit:
   move    GRH, PSF
   move    GRL, AP
   move    T2CNB.3, #0       ; Clear timer 2 overflow flag
   move    AP, #5
   rrc                       ; Start with least significant bit
   jump    C, intTX_bit_one
intTX_bit_zer
   move    TXDO, #0
   jump    intTX_bit_next
intTX_bit_one:
   move    TXDO, #1
   jump    intTX_bit_next
intTX_bit_next:
   djnz    LC[1], intTX_bit_done
   move    IV, #intTX_stop
intTX_bit_done:
   move    AP, GRL
   move    PSF, GRH
   reti

intTX_stop:
   move    T2CNB.3, #0       ; Clear timer 2 overflow flag
   move    TXDO, #1          ; Float high
   move    IV, #intTX_idle
   reti

intTX_idle:
   move    A[4], #SER_MODE_TX_IDLE
   move    T2CNB.3, #0       ; Clear timer 2 overflow flag
   move    T2CNA.7, #0       ; Disable timer 2 interrupts
   move    T2CNA.3, #0       ; Stop timer
   reti

可下載(ZIP, 5.6kB)本應用筆記的完整代碼。

任何情況下，中斷代碼最多占用19個指令周期，可根據(jù)波特率估算出表1所示最差狀況下的帶寬。注意：最差狀況下的帶寬是根據(jù)連續(xù)發(fā)送或接收字符的操作估算的。一旦完成字符傳輸，將關斷UART，在開始傳輸下一個字符之前允許主程序的其它操作。

表1. MAXQ3210實現(xiàn)UART通信需要占用的帶寬

Baud Rate	Cycles per Timer Tick (at 3.57MHz)	Worst-Case Interrupt Cycle Count	Bandwidth Used by UART (%)
9600	372	19	5
19200	186	19	10
28800	124	19	15
57600	62	19	31

結論

本應用筆記介紹了一個簡單的通過2個標準端口，利用軟件實現(xiàn)10位異步UART通信的方案，只要微控制器空閑端口引腳能夠滿足需求，上述方案也可用來實現(xiàn)SPI?到SMBus? 、I2C的任意串口通信。

這里，我們采用了相對速率較低的MAXQ3210微控制器進行測試，如果使用高速微控制器(如MAXQ2000或高速8051)，則可實現(xiàn)1個以上的軟件UART，能夠配置成半雙工或全雙工模式(或更復雜的串行通信外設)，并且，不會占用更多的主程序帶寬。采用軟件實現(xiàn)與外設的通信時，可修改協(xié)議的任何部分，以便與其它UART設備或相關標準變化保持一致，為新設計提供最大程度的靈活性。

類似文章發(fā)表于Embedded Systems Design網絡版，2007年2月。

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