引言
UART數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議作為一種簡單的數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議，被大量的使用在當前各種數(shù)字外設的數(shù)據(jù)傳輸上。但是現(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)換設備進行轉(zhuǎn)換。(2)利用PCI總線轉(zhuǎn)換卡獲得多個UART接口的擴展。前者優(yōu)點在于實現(xiàn)簡單設備，成本低。后者優(yōu)點在于可以實現(xiàn)多個接口擴展且功能完善。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)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(wěn)定，且存在不能完全實現(xiàn)多個UART接口的實時通訊。
為解決上述硬件方法在工程實現(xiàn)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(xiàn)多UART接口擴展方法。通過單片機作為數(shù)據(jù)收發(fā)的中繼器，實現(xiàn)對于多個UART采集的需要。
UART數(shù)據(jù)發(fā)送
8位UART數(shù)據(jù)傳輸主要利用RX，TX信號線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸(如圖1)。
當數(shù)據(jù)接收時，數(shù)據(jù)線RX首先處于接收準備狀態(tài)即RX呈高電平，根據(jù)UART數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議，如果RX線有數(shù)據(jù)接收時，RX線被置為低電平，接收起始位，在起始位后是為數(shù)據(jù)位，當最后一幀數(shù)據(jù)接收完畢后，產(chǎn)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(tài)。
發(fā)送通過對于TX線上信號電平的操作實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送初始狀態(tài)下TX線處于高電平，當啟動發(fā)送后將TX線電平置低產(chǎn)生起始位，在一個波特率時鐘周期后將開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后重新將TX電平置高使發(fā)送機處于等待狀態(tài)。
單個UART實現(xiàn)方法
本文利用C8051F310單片機作為軟件UART實現(xiàn)的平臺，主要方法是通過單片機的定時器產(chǎn)生波特率，根據(jù)波特率確定的位時間定時讀取(或發(fā)送)位數(shù)據(jù)信號，從而模擬了硬件UART的工作過程。具體的實現(xiàn)方法如下所述。
(1)硬件連接
在UART的軟件實現(xiàn)中主要是利用單片機模擬硬件UART的發(fā)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(chǎn)生波特率，PC機A0工作在邊沿捕捉狀態(tài)以捕捉SW_RX端口的電平變化產(chǎn)生，判斷數(shù)據(jù)接收的初始和終止。具體的硬件連接如圖2。
(2)軟件實現(xiàn)
發(fā)送狀態(tài)機軟件實現(xiàn)：將數(shù)據(jù)進入到發(fā)送緩沖寄存器，然后置SW_TX端口為低電平，啟動發(fā)送，裝載波特率源，此后每經(jīng)過1/2個位時間后通過移位操作將發(fā)送緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)按位改變SW_TX數(shù)據(jù)線電平從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。
接收狀態(tài)機軟件實現(xiàn)：當PCA0模塊捕捉到SW_RX下邊沿后為產(chǎn)生中斷，捕捉接收起始位，然后轉(zhuǎn)載波特率，此后每1/2個位時間讀取SW_RX線數(shù)據(jù)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(xiàn)
由于軟件UART主要利用中斷來控制接收和發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的位時間對準問題。根據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)。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?shù)牟ㄌ芈适怯邢拗频摹Ｍ瑫r為了盡可能的多擴展UART應當盡量采用較高的系統(tǒng)時鐘頻率。
在本設計中利用C8051F310實現(xiàn)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(chǎn)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(fā)的情況，一般而言此種情況是不常發(fā)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(jié)束處設置斷點讀取定時器計數(shù)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(fā)送的I/O端口控制，以及相應的移位操作，一般接收狀態(tài)機中中斷時間較長，而中斷發(fā)送機時間較短。
多串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議
本設計中實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。
下行數(shù)據(jù)的讀取
UART設備的數(shù)據(jù)發(fā)送可以分為兩類：分為主從式和直發(fā)式，主從式數(shù)據(jù)的獲取需要先向設備發(fā)送指令，通過指令獲取相應設備數(shù)據(jù)。直發(fā)式設備則無論處于何種狀態(tài)，系統(tǒng)加電后按照預定數(shù)據(jù)協(xié)議向上發(fā)送數(shù)據(jù)。在本設計中同時存在這兩類設備。
對于直發(fā)式設備本設計采用直接利用一路軟件UART獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在單片機預先開辟好的一組存儲區(qū)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(xù)采集數(shù)據(jù)進行存儲的方式(即利用單片保持數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集周期不同，因此不可避免的存在各種數(shù)據(jù)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(xiàn)在了中斷的優(yōu)先級安排上。為了最大限度的保持數(shù)據(jù)采集的實時性，應將數(shù)據(jù)周期較長的設備設定為高優(yōu)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(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)
上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)采用指令方式，即利用指令判斷從數(shù)據(jù)存儲區(qū)中獲取那些設備的數(shù)據(jù)。通過這種方式把原來兩類設備數(shù)據(jù)傳輸方式統(tǒng)一到了主從式上。
上行器件命令的發(fā)送
主要采用協(xié)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(xié)議進行指令的解析，形成針對各自設備的指令碼向下轉(zhuǎn)發(fā)。具體的數(shù)據(jù)協(xié)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(diào)試助手隨機發(fā)送數(shù)據(jù)，選擇不同的自動發(fā)送周期，每個發(fā)送周期連續(xù)1000字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送檢驗數(shù)據(jù)接收和發(fā)送錯誤率，實驗結(jié)果見表1。
通過以上數(shù)據(jù)我們可以看到軟件UART在發(fā)送和接收時間上存在延遲，因為利用中斷和單片機對于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)造成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，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(fā)送周期較短時，擴展串口的錯誤較高，但是延遲到50ms發(fā)送周期后這種錯誤基本解決。因此當傳輸周期越長，數(shù)據(jù)錯誤率越低。
(2)定波特率下，4UART同時工作的測試結(jié)果見表2。
波特率上升到115200b/s時，UART傳輸出現(xiàn)大幅錯誤，基本無正常數(shù)據(jù)。
(3)接入實際設備后輸出結(jié)果，發(fā)送指令碼：0xaa，取4設備數(shù)據(jù)。
由于設備1采集周期最長達到300ms，因此其優(yōu)先級最高。且設備1一直發(fā)送數(shù)據(jù)。
實驗中發(fā)現(xiàn)由于設備1，一直向上發(fā)送數(shù)據(jù)，其他端口數(shù)據(jù)無法接收，當設備一端口被關(guān)閉后其他端口才可接收已經(jīng)發(fā)送數(shù)據(jù)。表明此前其他端口設備數(shù)據(jù)被暫時保存在了硬件的緩存當中。
結(jié)語
通過實驗表明在特定波特率條件下利用單片機實現(xiàn)的UART端口可以具有較好的穩(wěn)定性，且延遲時間可以被接收，同時利用協(xié)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(jù)特定設備編寫特定協(xié)議，并且利用編程模擬的UART接口對于波特率和數(shù)據(jù)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。