目前擴展串口的方法主要有以下方法, ①,、采用串口擴展芯片實現,，如ST16C550、ST16C554,、SP2538,、MAX3110等，雖然成本較高, 但系統(tǒng)的可靠性得到了保證,，適用于數據量較大,、串口需求較多的系統(tǒng)；②,、采用分時切換的方法將一個串口擴展與多個串口設備通信,，分時復用的方法成本低, 但只適用于數據量不大的場合, 并且只能由這個單片機主動和多個設備通信，實時性差,；③,、用軟件模擬的方法擴展串口，其優(yōu)勢也是成本低、實時性好, 但要占用一些CPU時間,。
一般的軟件模擬擴展串口方法,，使用1個I/O端口、1個INT外部中斷和定時器,，該方法擴展的串口有2個缺點,，①、由于使用了INT外部中斷,，故只能使用2個INT外部中斷擴展2個串口,。②、文中的發(fā)送和接收數據的效率比較低,，占用了CPU的大量時間,，不能與其他任務同時進行，所以使用范圍有限,。
本文提出的模擬串口方法,，僅使用2個普通I/O和1個定時器，由于不需要INT的限制,，可以擴展出多個串口,，且?guī)IFO的功能，該方法擴展模擬串口的收發(fā)數據在中斷服務中完成,，所以非常效率高,，一般的單片機都支持定時器中斷，所以所以該方法在大多數單片機上都可以應用,。
對于低速度的單片機(如89S51)可以擴展出低速串口(9600,、4800等)，對于高速單片機(如AVR,、PIC,、C8051、STC12)可以擴展高速串口(如19200,、28800,、38400、57600等),。目前單片機的處理速度越來越高,，而價格越來越便宜，本文使用的STC12C1052芯片就具有高速度和低價格,，價格僅為每片人民幣3.8元,。電子產品的開發(fā)設計時，要求在保證性能的情況下降低硬件成本,，軟件模擬擴展串口提供了一種降低成本的好方法。
1,、串口通訊原理
在串口的異步通信中,，數據以字節(jié)為單位的字節(jié)幀進行傳送,，發(fā)送端和接收端必須按照相同的字節(jié)幀格式和波特率進行通信，其中字節(jié)幀格式規(guī)定了起始位,、數據位,、寄偶效驗位、停止位,。起始位是字節(jié)幀的開始,，使數據線處于邏輯0狀態(tài)，用于向接收端表明開始發(fā)送數據幀,，起到使發(fā)送和接收設備實現同步,。停止位是字節(jié)幀的終止，使數據線處于邏輯1狀態(tài),，用于向接收端表明數據幀發(fā)送完畢,。波特率采用標準速度，如4800,、9600,、19200、28800,、38400,、57600等。
2,、軟件UART的設計思想
在本設計對硬件要求方面,，僅僅占用單片機的任意2個I/O端口和1個定時器，利用定時器的定時中斷功能實現精確的波特率定時,，發(fā)送和接收都在定時中斷的控制之下進行,。
數據發(fā)送的思想是，當啟動字節(jié)發(fā)送時,，通過TxD先發(fā)起始位,，然后發(fā)數據位和奇偶數效驗位，最后再發(fā)停止位,，發(fā)送過程由發(fā)送狀態(tài)機控制,，每次中斷只發(fā)送1個位，經過若干個定時中斷完成1個字節(jié)幀的發(fā)送,。
數據接收的思想是,，當不在字節(jié)幀接收過程時，每次定時中斷以3倍的波特率監(jiān)視RxD的狀態(tài),，當其連續(xù)3次采樣電平依次為1,、0、0時，就認為檢測到了起始位,，則開始啟動一次字節(jié)幀接收,，字節(jié)幀接收過程由接收狀態(tài)機控制，每次中斷只接收1個位,，經過若干個定時中斷完成1個字節(jié)幀的接收,。
為了提高串口的性能，在發(fā)送和接收上都實現了FIFO功能,，提高通信的實時性,。FIFO的長度可以進行自由定義，適應用戶的不同需要,。
波特率的計算按照計算公式進行,，在設置最高波特率時一定要考慮模擬串口程序代碼的執(zhí)行時間，該定時時間必須大于模擬串口的程序的規(guī)定時間,。單片機的執(zhí)行速度越快,，則可以實現更高的串口通訊速度。
3,、軟件UART設計的實現
本程序在宏晶科技(深圳)生產的STC12C1052高速單片機上進行運行測試,，STC12C1052單片機是單時鐘/機器周期的MCS51內核單片機，與89C2051引腳完全兼容,，其工作頻率達35MHz,，相當與420MHz的89C2051單片機，每片人民幣3.8元,。由于該單片機的高速度,，使得軟件擴展串口的方法，更方便實現高速的串口,。
本擴展串口的設計中,，STC12C1052使用的晶振頻率為22.1184Mhz，以波特率的3倍計算定時時間,，在接收過程中以此定時進行接收起始位的采樣,，在發(fā)送和接收過程中再3分頻得到標準波特率定時，進行數據發(fā)送與接收,。
3.1,、數據定義
定義模擬串口程序所必須的一些資源，如I/O引腳,、波特率,、數據緩沖區(qū)等。
#define Fosc 22118400 //晶振頻率
#define Baud 38400 //波特率
#define BaudT (Fosc/Baud/3/12)
#define BufLONg 16 //FIFO長度
sbit RxD1=P1^7; //模擬接收RxD
sbit TxD1=P1^6; //模擬發(fā)送TxD
bit Brxd1,Srxd1;//RxD檢測電平
BYTE Rbuf1[BufLong];//FIFO接收區(qū)
BYTE Rptr1,Rnum1;
BYTE Tbuf1[BufLong];//FIFO發(fā)送區(qū)
BYTE Tptr1,Tnum1;
BYTE TimCnt1A,TimCnt1B;
BYTE Mtbuf1,Mrbuf1,TxdCnt1,RxdCnt1;
3.2,、數據接收子程序
數據接收過程中,，依次存儲RxD的邏輯位形成字節(jié)數據,，當數據接收完畢且停止位為1時，表示接收到了有效數據,，就將結果存儲到接收FIFO隊列中去,。
void Recv()
{
if(RxdCnt1＞0) //存數據位8個
{
Mrbuf1＞＞=1;
if(RxD1==1) Mrbuf1=Mrbuf1|0x80;
}
RxdCnt1--;
if(RxdCnt1==0&& RxD1==1) //數據接收完畢
{
Rbuf1[Rptr1]=Mrbuf1; //存儲到FIFO隊列
if(++Rptr1＞BufLong-1) Rptr1=0;
if(++Rnum1＞BufLong) Rnum1=BufLong;
}
}
3.3、數據發(fā)送子程序
該程序過程中,，當數據發(fā)送狀態(tài)結束時，檢測發(fā)送FIFO隊列是否為空,，若非空則取出發(fā)送數據,，然后啟動發(fā)送狀態(tài)；當處于發(fā)送狀態(tài)時,，則按照狀態(tài)機的狀態(tài)進行起始位,、數據位和停止位的發(fā)送。
void Send()
{
if(TxdCnt1!=0) //字節(jié)發(fā)送狀態(tài)機
{
if(TxdCnt1==11) TxD1=0;//發(fā)起始位0
else if(TxdCnt1＞2) //發(fā)數據位
{ Mtbuf1＞＞=1; TxD1=CY;}
else TxD1=1; //發(fā)終止位1
TxdCnt1--;
}
else if(Tnum1＞0) //檢測FIFO隊列
{
Tnum1--;
Mtbuf1=Tbuf1[Tptr1]; //讀取FIFO數據
if(++Tptr1＞=BufLong) Tptr1=0;
TxdCnt1=11; //啟動發(fā)送狀態(tài)機
}
}
3.4,、中斷程序
中斷定時時間為波特率定時的1/3,，即以3倍的波特率對RxD進行采樣，實現起始位的判別,，當起始位到達時啟動接收過程狀態(tài)機,。將該定時進行3分頻再調用數據的發(fā)送和接收過程，進行準確波特率下的串口通信,。
void Uart() interrupt 1 using 1
{
if(RxdCnt1==0 ) //接收起始識別
{
if(RxD1==0 && Brxd1==0 && Srxd1==1) { RxdCnt1=8; TimCnt1B=0;}
}
Srxd1=Brxd1; Brxd1=RxD1;
if(++TimCnt1B＞=3 && RxdCnt1!=0) { TimCnt1B=0; Recv();}//數據接收
if(++TimCnt1A＞=3) { TimCnt1A=0; Send();} //數據發(fā)送
}
3.5,、串口初始化
打開定時器的中斷，將定時器的設置為自裝載模式,，依照波特率設置定時中斷的定時間隔,，啟動定時器，并進行UART各變量的初始化,。
void IniUart()
{
IE="0x82"; TMOD="0x22";
TH0=-BaudT; TL0=-BaudT; TR0=1;
Rptr1=0;Rnum1=0;Tptr1=0;Tnum1=0;
}
4,、結束語
本文提出的模擬串口設計方法，其獨特之處在于：僅僅使用任意2個普通I/O引腳和1個定時中斷實現了全雙工串口,，對硬件的占用較少,，具有多可串口擴展能力；在串口接收的起始位判別時采用了連續(xù)3次采樣的判別方法,，該方法實現簡單,、準確率高；用定時中斷實現了串口數據的發(fā)送和接收,，并實現了FIFO隊列,，使串口發(fā)送和接收工作效率高。