鄭志雄，胡愛蘭

（華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京100083）

引 言

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，用到UART串口的機率非常高，往往某些場合用到的個數(shù)還比較多，如筆者現(xiàn)在正在開發(fā)的項目，由于要具備多種上、下行通信方式，并且基本上都需要基于UART串口來實現(xiàn)，統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)至少需要6個串口，而市面上具備6個以上串口的價位適中的MCU又比較少見，這時串口的擴展往往就不可避免。還有一種情況，在某些低成本應(yīng)用中，所選的MCU通常只有1～2個串口，此時如果MCU內(nèi)部串口已作他用，但還想用串口實現(xiàn)某些功能，比較好的方法也只有通過串口擴展實現(xiàn)。

串口擴展有硬件擴展和軟件擴展兩種方式：硬件擴展主要是通過串口擴展芯片實現(xiàn)，常見的有16C550、SC16IS752／SC16IS762等，但會增加成本和占用板面空間；軟件擴展就是利用MCU的GPIO引腳通過軟件編程來模擬UART的發(fā)送和接收功能，該方式不僅靈活可靠，而且節(jié)約成本。本文主要是介紹UART串口的軟件擴展方式。

目前有很多軟件模擬串口的方案，其中大部分可以歸結(jié)為兩種實現(xiàn)方式：第一，采用軟件延時來逐位輸入、輸出數(shù)據(jù)幀bit位；第二，利用MCU內(nèi)部定時器定時輸入、輸出數(shù)據(jù)幀bit位。軟件延時方式在發(fā)送或接收過程中會一直占用MCU，效率較低，這對于一些波特率要求不高、但實時性要求較高的工控場合并不適用；定時器方式在中斷中接收，效率較高，但發(fā)送時往往還是采用阻塞式（持續(xù)判斷定時器溢出標(biāo)志位）的發(fā)送方式，總體上還是有些欠缺，而且兩者都只能進行半雙工通信。本文的實現(xiàn)方式也是采用定時器方式，但完全是在定時器中斷服務(wù)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，MCU的實際占用率可以降低到10%以下［1］，具有較高的效率，很適合筆者所要開發(fā)的項目，并且還可以同時進行發(fā)送和接收，實現(xiàn)了全雙工的異步串行通信方式。

1 UART串口簡介

串行通信接口簡稱串口，分為異步和同步兩種通信方式，這里用到的是異步串行通信接口，即UART。通常它的一幀數(shù)據(jù)幀是10位或11位，圖1是一個11位的幀，包括1位起始位（0）、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗位和1位停止位（1）。通信雙方必須采用相同的波特率（波特率即每秒收發(fā)的bit位數(shù)），嚴(yán)格按照雙方約定的幀格式進行數(shù)據(jù)傳輸，且空閑狀態(tài)下串口輸入／輸出線上保持高電平。

圖1 UART串口11位幀結(jié)構(gòu)

2 UART的軟件模擬實現(xiàn)

2.1 模擬實現(xiàn)的基本思路

根據(jù)異步串行通信接口的工作方式，UART軟件模擬實現(xiàn)的基本思路如下：在輸入上，可以利用LPC1768定時器的捕獲輸入引腳（Capture Input）來捕捉起始位，在確定是起始位后，按照波特率設(shè)置好定時器匹配寄存器（Match Register），以一定的時間間隔來采樣輸入引腳上的電平，在確認校驗位與停止位無誤后，完成一幀數(shù)據(jù)的采樣；在輸出上，只要按照所需波特率設(shè)置好定時器，在每一個定時中斷到來后，按照從低到高的順序，逐位輸出待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的位即可，需要注意的是，空閑狀態(tài)下輸出引腳必須保持高電平。

基本思路是比較直接的、初步的實現(xiàn)方法，具體實現(xiàn)時，需要在基本思路的基礎(chǔ)上做些改變。另外需要說明的是，在輸入采樣時，對每一數(shù)據(jù)位一般需要多次采樣并確認一致后才完成輸入，但經(jīng)過實際測試與對其他方案［2－3］的研究發(fā)現(xiàn)，每一數(shù)據(jù)位僅采樣一次也幾乎沒有錯誤發(fā)生，所以本文的程序僅在每一數(shù)據(jù)位傳輸?shù)闹虚g時刻采樣一次。

2.2 具體的軟件實現(xiàn)

選擇 LPC1768［4］內(nèi)部的定時器 Timer 0、相應(yīng)的捕獲輸入引腳P1.26和通用GPIO口P1.28作為軟件實現(xiàn)所需的硬件資源。讓Timer 0工作在定時器模式（Timer Mode）下；開啟P1.26引腳（CAP0.0）的下降沿捕獲功能，使能其中斷（在捕捉到起始位后，該引腳轉(zhuǎn)換為GPIO輸入模式）；接收和發(fā)送共用匹配寄存器1（MR1），計數(shù)器（TC）值匹配（即溢出）后TC自動清零并中斷；P1.28引腳配置為GPIO輸出模式。

為了能在定時器中斷服務(wù)程序中同時處理數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送，作了以下設(shè)置：① 定義了兩個全局變量Tx－Enable和RxEnable用于使能和停止發(fā)送、接收功能；②定時器溢出常數(shù)（寫入MR1的值）設(shè)置為數(shù)據(jù)位寬度（波特率的倒數(shù)）的一半，即每半個bit周期中斷一次；③ 定義兩個全局變量，一個發(fā)送計數(shù)器TxCount和一個接收計數(shù)器RxCount。

在定時器中斷服務(wù)程序中，主要處理兩種類型的定時器中斷：定時器捕獲中斷和定時器溢出中斷。對前者的處理主要是開啟數(shù)據(jù)接收功能，對后者的處理主要是進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。定時器中斷服務(wù)程序的流程如圖2所示。

圖2 中斷服務(wù)程序流程圖

每次發(fā)送數(shù)據(jù)時使能發(fā)送功能（TxEnable＝1）、啟動定時器、TxCount賦值0，定時周期到后，從定時器中斷服務(wù)程序中進入發(fā)送流程，判斷TxCount的值，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，并相應(yīng)地使發(fā)送計數(shù)器TxCount加1。發(fā)送程序流程如圖3所示。

圖3 發(fā)送程序流程圖

接收數(shù)據(jù)由捕獲中斷觸發(fā)開始，在定時器捕獲中斷服務(wù)程序中禁止捕獲功能、啟動定時器、使能接收、RxCount賦值0，定時周期到后，由定時器中斷服務(wù)程序中進入接收流程，判斷RxCount值，進行數(shù)據(jù)的采樣接收，并使接收計數(shù)器RxCount加1。接收程序流程如圖4所示。

圖4 接收程序流程圖

這里需要指出的是，在將方案用于實際系統(tǒng)時，一般需要將定時器中斷設(shè)為最高的優(yōu)先級，以保證發(fā)送、接收過程不會因為其他中斷的長時間延時而受到影響從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

2.3 偶校驗的實現(xiàn)

根據(jù)實際項目需要，在模擬串口中實現(xiàn)了偶校驗功能。發(fā)送時，直接將偶校驗輸出位填入數(shù)據(jù)幀中；接收時，當(dāng)接收到第10位時，將其與程序?qū)η?位數(shù)據(jù)的偶校驗輸出進行對比，若一致則繼續(xù)接收下一位，否則丟棄本次數(shù)據(jù)，重新開始下一幀的接收。偶校驗程序如下：

2.4 發(fā)送、接收緩沖區(qū)的設(shè)計

為了給應(yīng)用程序提供一個友好方便的接口，設(shè)計了發(fā)送和接收緩沖區(qū)，這樣軟件模擬串口就和硬件UART在使用上很接近了。緩沖區(qū)是兩個先入先出（FIFO）的循環(huán)隊列，其本質(zhì)是兩個無符號char型數(shù)組。為兩個緩沖區(qū)分別定義了3個全局變量，對發(fā)送有：發(fā)送位置索引TxRdIndex，用于指示模擬串口下一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)的位置；發(fā)送緩沖區(qū)寫索引SWTxIndex，用于指示應(yīng)用程序下一個要寫入發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)的寫入位置；發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)個數(shù)TxByteCnt，用于指示發(fā)送緩沖區(qū)中待發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)，示例如圖5所示（方格左下角為數(shù)組下標(biāo)）。接收緩沖區(qū)原理類似，不再贅述。

圖5 發(fā)送緩沖區(qū)示例圖

發(fā)送一個字節(jié)時，首先判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否滿，若是則阻塞等待，直到有空的位置，否則寫入數(shù)據(jù)。接著判斷發(fā)送是否使能，否則開啟發(fā)送功能、啟動定時器、TxCount賦值0。然后即可退出發(fā)送字節(jié)函數(shù)，去執(zhí)行其他程序，由定時器中斷服務(wù)程序去執(zhí)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

接收是在定時中斷服務(wù)程序中完成的，接收完一字節(jié)就將它存入接收緩沖區(qū)，并置位相應(yīng)的接收標(biāo)志位。應(yīng)用程序通過查詢接收標(biāo)志位和接收字節(jié)個數(shù)變量來讀取接收到的數(shù)據(jù)。若存儲數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)已滿，則放棄該字節(jié)的存儲并置位接收緩沖區(qū)溢出標(biāo)志位。

需要指出的是，實際測試發(fā)現(xiàn)，緩沖區(qū)的長度對系統(tǒng)的整體運行效率影響很大［5］，所以實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)需要定義合適長度的緩沖區(qū)。

源程序見本刊網(wǎng)站 www.mesnet.com.cn——編者注。

3 測試結(jié)果

編寫了以下程序來對軟件模擬串口代碼進行測試：

軟件UART測試如圖6所示。測試時，上位機打開兩個串口調(diào)試助手，一個通過串口1與UART0連接，另一個通過USB轉(zhuǎn)的串口8與軟件UART連接，準(zhǔn)備一系列隨機的字節(jié)數(shù)據(jù)用于向軟件UART發(fā)送。下位機電路板運行時，可以通過連接串口8的調(diào)試助手看到不斷收到數(shù)據(jù)“88”，同時通過發(fā)送區(qū)將準(zhǔn)備的一系列數(shù)據(jù)發(fā)送出去，馬上就會看到連接串口1的調(diào)試助手收到剛發(fā)送出去的數(shù)據(jù)。仔細比對后，沒有發(fā)現(xiàn)錯誤。然后將發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)連續(xù)多次發(fā)送出去，對比發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)個數(shù)，發(fā)現(xiàn)二者是一致的，再選取發(fā)送、接收的部分數(shù)據(jù)進行對比，也無錯誤發(fā)生。測試結(jié)果可以看出，該軟件串口在全雙工通信狀態(tài)下的運行是穩(wěn)定和可靠的。另外，經(jīng)測試，該軟件串口在“背靠背”傳輸模式（發(fā)送、接收引腳短接）下工作也是正常的。表1為在LPC1768幾個工作主頻下軟件UART正常穩(wěn)定工作的波特率范圍（定時器的PCLK＝CCLK）。

表1 LPC1768幾個工作主頻下的軟件UART正常穩(wěn)定工作的波特率范圍

結(jié) 語

對比本文，參考文獻［5］也實現(xiàn)了一種全雙工UART的軟件模擬方案，但該方案實現(xiàn)方式比較復(fù)雜，代碼量較大，移植也不方便，且不允許“背靠背”模式傳輸（無法在較嚴(yán)格的全雙工模式下運行）。與之相比，本文的實現(xiàn)方案具有較大的突破，具有較強的使用價值。另外值得一提的是，若不要求在全雙工方式下通信，可以對方案稍加修改，可最終使得軟件UART達到很高的波特率要求。

圖6 軟件UART測試結(jié)果

［1］廣州致遠電子有限公司.I／O模擬 UART實現(xiàn)［EB／OL］.［2013－01－21］.http：www.zlgmcu.com.

［2］呂剛，李強.AVR單片機軟件模擬UART通信接口［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（2）：73－76.

［3］劉亞平，刑濟收，劉相權(quán).AVR單片機串行口的軟件擴展技術(shù)［J］.北京信息科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，25（4）：53－56.

［4］NXP Semiconductors.LPC17xx User manual［EB／OL］.［2012－12－02］.http：www.nxp.com.

［5］NXP Semiconductors.Application Note：Full－duplex software UART for LPC111xand LPC13xx［EB／OL］.［2012－12－02］.http：www.nxp.com／documents／application＿note／AN10955.pdf.