基于PIC软件设计串行异步通信三倍速采样方法

文章摘要：在利用单片机开发各种嵌入式应用系统时，异步串行通信是常用的一种通信模式，有的应用中还要求实现多路异步串行通信。人们平时所应用的各种厂商的单片机，绝大部分片上只提供一个UART(通用异步收发器)硬件模块，利用它可以方便地实现一路串行通讯。PIC系列单片机也不例外，在其丰富的一系列产品中，除高端系列(PIC 17/18)一些型号片上带有2路UART硬件模块外，其他大部分型号片上只有1路UART，一些低端廉价的PIC单片机甚至还不带硬件UART。为了提高系统的性价比，要求设计者用软件实现1路或多路异步串行通信。很多人对用软件实现的UART在可靠性和效率方面持怀疑态度，其实关键问题是采用何种方式来实现

基于PIC软件设计串行异步通信三倍速采样方法,标签：单片机开发,单片机原理,http://www.88dzw.com
在利用单片机开发各种嵌入式应用系统时，异步串行通信是常用的一种通信模式，有的应用中还要求实现多路异步串行通信。人们平时所应用的各种厂商的单片机，绝大部分片上只提供一个UART(通用异步收发器)硬件模块，利用它可以方便地实现一路串行通讯。PIC系列单片机也不例外，在其丰富的一系列产品中，除高端系列(PIC 17/18)一些型号片上带有2路UART硬件模块外，其他大部分型号片上只有1路UART，一些低端廉价的PIC单片机甚至还不带硬件UART。为了提高系统的性价比，要求设计者用软件实现1路或多路异步串行通信。很多人对用软件实现的UART在可靠性和效率方面持怀疑态度，其实关键问题是采用何种方式来实现可靠的UART功能。

1 串行异步通信的基本协议
1.1 起止式协议的原理
    起止式异步协议是串行异步通信的基本协议，特点是逐个字符传输，并且传送单个字符总是以起始位开始，停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求，它的数据格式是靠起始位和停止位来实现字符界定的，故称为起止式协议。
    起止式协议的格式定义为：对于一个完整的字符信息，必须包括起始位、若干数据位、奇偶校验位和停止位；必须定义每位信息的时间宽度—— 每秒发送的信息位个数，即为波特率。单片机系统中常用的波特率为300 bit/s～19200 bit/s。当波特率为1200 bit/s时，每个信息位的时间宽度为1/1200≈833(us)；无数据通信时，数据线空闲状态应该是高电平，起始位为低电平，数据位低位先发且后跟奇偶校验位(若有)，停止位为高电平，如图1所示。
 
图1 起止式串行异步通信的格式

1.2 起止式协议的优劣
    起止式协议是按字符传输的，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。若接收设备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以该异步串行通信的可靠性高。但由于要在每个字符中加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传输效率变低，只有约80％。因此，该通信协议一般用在数据速率较慢的场合(小于19.2 kbit/s)。在高速传送时，一般要采用同步协议。
    按图1最基本的异步串行通信时序，软件实现UART在不同架构的单片机上有多种方法。其中数据接收是关键，因异步通信没有可参照的时钟信号，发送方随时都可能发送数据，任何时刻串行数据到来时，系统都应该及时准确地接收。比较而言，本机发送串行数据相对容易，只要对发送出去的电平做持续时间的定时即可。按不同的接收技巧并针对PIC单片机的特点，下面介绍一种常用且十分可靠的方法——三倍速采样法。

2 三倍速采样法
2.1 三倍速采样法的实现
    三倍速采样法就是以3倍于波特率的频率对接收引脚Rx进行采样，保证检测到起始位，又可以调整采样的时间间隔；将有效数据位的采样点控制在码元的中间1/3处，最大限度地减少误码，提高接收的准确性。将图1的起始位和部分数据位放大，如图2所示，把每个信息位分成三等份，每等份的时间宽度设为t ，以便于分析。
 
图2 三倍速采样法格式
    以三倍频对信息位进行采样时，每个信息位都可能被采样到3次。当处于空闲状态并检测起始位时，最早检测到起始位低电平的时刻必将落在S0阴影区，虽然每次具体的采样点会在此S0阴影区随机变化。检测到起始位低电平后，间隔4ts时间，正好是第1位数据位的中间1/3处(图2中Ds阴影区)。此后的数据位、校验位和停止位的采样间隔都是3ts ，所有采样点均落在码元的中问1/3处，采样数据最可靠。

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