0 引言

嵌入式系統開發已經進入了32位時代，8位MCU市場趨于穩定，32位的MPU代表著嵌入式技術的發展方向。然而，作為嵌入式系統低端應用的代表，8位單片機在家用電器、儀器儀表等領域仍然被廣泛應用;而且隨著IC技術的不斷發展，單片機的擴展能力越來越強，8位單片機的開發、應用仍然受到很大重視。

隨著網絡技術和通信技術的不斷發展，對單片機的通信能力要求越來越高，異步通信技術通信距離遠、節約成本、通信可靠，特別是以其通信速度越來越快的特點廣泛應用在分級、分層和分布式控制系統以及遠程通信中，尤其適合單機轉向多機或聯網的應用方向。目前普遍應用的MCS-51系列和其他一些專用的單片機通常只具有一個UART異步串行通信接口，而在實際應用系統中(如在多機通信系統中，主機既要和從機通信又要和終端通信)往往需要多個串行接口。對于三總線開放的單片機，通常的方法是利用Intel 8251或8250通用同步/異步收發器(USART)對系統進行擴展，這就增加了系統開發的硬件開銷和成本。而且有些專用單片機(如ST62T32B)的三總線是不開放的，無法用通信接口芯片來擴展接口，給多機通信帶來困難。本文僅僅利用51單片機內部的擴展模塊(一個I/O端口、一個定時器T/C和一個外部中斷INT)實現了一個通用的軟件UART，可以以4800、9600、19200的波特率接收和發送數據，沒有使用任何外圍器件，通信可靠性高，節約了開發成本，而且軟件使用C語言編寫，具有很好的移植性。該軟件UART已在多個單片機系統中應用，工作穩定可靠，是一種可以借鑒的通信方案。

1 異步通信簡介

在異步通信中，數據通常是以字符(字節)為單位組成字符幀進行傳送的。字符幀由發送端一幀一幀的發送，通過傳輸線在接收端一幀一幀的接收。發送端和接收端可以有各自的時鐘來控制數據的發送和接收，這兩個時鐘彼此獨立、互不同步。另外，發送端和接收端通過字符幀規定的格式和波特率來協調數據發送和接收。字符幀和波特率是兩個重要指標，由用戶根據實際情況選擇。

字符幀由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位四部分組成，如圖1所示，各部分的功能和結構為：

起始位 位于字符幀的開始位置，占一位，使數據線處于space(邏輯0)狀態，用于向接收設備表明發送端開始發送數據。

數據位 緊跟起始位之后，根據字符編碼方式的不同可取5位、6位、7位和8位。在數據傳送過程中，低位在前，高位在后。如傳送數據為ASCII碼，則常取7位。

奇偶校驗位 位于數據位之后，占一位，用于對數據傳送作正確性檢查。奇偶校驗位有三種選擇，即奇、偶和無校驗，由用戶根據需要設定。

停止位 位于字符幀末尾，可占1、1.5和2位，在實際應用中由用戶根據需要確定，它對應于mark(邏輯1)狀態，用于向接收端表明一幀信息發送完畢[1]。

2 通用軟件UART的設計思想

在設計的硬件方面該通用軟件UART僅僅使用了51系列單片機的一個通用I/O端口、一個T/C計數定時器和一個外部中斷INT，最大限度地降低了系統硬件開銷。該軟件UART數據發送的設計思想是利用單片機的任意一個I/O端口作通用軟件UART的發送端(TxD)，通過T/Cx計數定時器設置通信波特率，將數據幀的起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位依次發送出去;數據接收的設計思想是將單片機的某一個外部中斷作為數據接收端(RxD)，并且將該中斷源設置為下降沿觸發方式，以利于及時檢測到起始位的space(邏輯0)電平，在中斷處理程序中對數據進行接收，這樣設計有利于提高UART的響應速度和單片機的利用率。

UART的波特率和采樣時鐘是利用T/Cx計數定時器實現的。對于不同的波特率，向T/Cx計數定時器賦予不同的初值，然后在指定的波特率下，利用軟件實現UART的并行數據到串行數據的轉換、每幀數據格式的生成、發送和接收功能。

在本設計中，硬件系統采用正當頻率為12M的主晶振，T/Cx記錄振蕩頻率12分頻后的脈沖個數(即機器周期個數)，即每個機器周期使T/Cx的計數器增加1，直至記滿回零后自動產生溢出中斷請求。因此，達到指定波特率的定時器初值公式為：