CN114253879A - 一种基于软件模拟的多通道串口通信方法及系统 - Google Patents

一种基于软件模拟的多通道串口通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于软件模拟的多通道串口通信方法及系统。该方法包括根据串口波特率和采样点数确定微控制单元MCU中定时器的间隔中断；并将多个通用IO引脚划分为模拟串口的接收引脚以及发送引脚；开启所述定时器；所述定时器产生固定的所述间隔中断；在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据；在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态。本发明能够解决现有技术定时器的数量限制了模拟串口的数量的问题，并提高了对不规范数据波形识别能力。

Description

一种基于软件模拟的多通道串口通信方法及系统
技术领域
本发明涉及数据通信领域，特别是涉及一种基于软件模拟的多通道串口通信方法及系统。
背景技术
在工业领域中，串口的使用非常广泛。由于功耗及成本等原因，嵌入式设备的主芯片串口外设并不多，串口硬件资源常常不够用。
若使用串口扩展芯片，会产生额外的硬件及软件开销，增加研发及生产成本，此时使用软件实现模拟串口是非常实用的选择。
现有的软件实现模拟串口通信的方法，通常使用具有外部中断的IO接口和定时器，通过记录IO电平变化时间或调整定时器进行IO引脚的采样来实现。外部IO中断的使用限制了模拟串口的适用范围。现有方式模拟一个串口就需要一个单独的定时器，不仅限制了模拟串口的数量，也造成了资源的浪费。另外，工业领域通常干扰较多，导致通信波特率及电平不是特别标准，很容易产生通信错误。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于软件模拟的多通道串口通信方法及系统，能够解决现有技术定时器的数量限制了模拟串口的数量的问题，并提高了对不规范数据波形识别能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于软件模拟的多通道串口通信方法，包括：
根据串口波特率和采样点数确定微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU)中定时器的间隔中断；并将多个通用IO引脚划分为模拟串口的接收引脚以及发送引脚；所述接收引脚为输入模式；所述发送引脚为输出模式；
开启所述定时器；所述定时器产生固定的所述间隔中断；
在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据；
在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态。
可选地，所述根据串口波特率和采样点数确定微控制单元MCU中定时器的间隔中断，具体包括：
利用公式T＝1/(串口波特率*N)确定定时器的间隔中断；
其中，T为定时器的间隔中断，N为采样点数，N为大于或等于3的整数。
可选地，所述在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据，具体包括：
空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位；
当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位；
根据采样N个点位，确定1比特数据值；并重复执行M次后，判断是否有校验位；其中，M＝数据位+校验位+停止位；
若存在校验位，则统计数据位及校验位值为1的个数，判断是否和校验方式一致；若一致，则当前字节的采样数据传输正确；若不一致，则返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤；
若不存在校验位，则当停止位为高电平时，当前字节的采样数据读取成功，按位合成字节数据值存入接收缓存，否则采样数据读取出错，返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤，等待下一字节数据。
可选地，所述当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位，具体包括：
采样N-1个点位；
若起始位的N个采样点中的前两个采样点都为低电平，则确定采样数据的起始位；否则返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤。
可选地，所述当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位，具体包括：
根据采样数据的波形，采用第2次至第N-1次中的一位或多位进行判断，采样数据的起始位。
可选地，所述在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态，具体包括：
空闲状态下将发送引脚设置为高电平；
检测是否存在待发送的数据；
若存在，则将发送引脚设置为低电平开始发送起始位，经过N个采样间隔后，进入发送数据状态；
当发送字节最低位比特数据为1时，将发送引脚设置为高电平；当发送字节最低位比特数据为0时，将发送引脚设置为低电平；发送数据右移一位；
之后每N个采样间隔重复所述当发送字节最低位比特数据为1时，将发送引脚设置为高电平；当发送字节最低位比特数据为0时，将发送引脚设置为低电平；发送数据右移一位的步骤一次，重复K次，直至当前字节数据发送完成；等待N个采样间隔；K为数据位的位数；
根据校验方式计算出此字节校验位数据，设置相应的发送引脚电平，等待N个采样间隔；
若校验方式为无校验，则将发送引脚设置为高电平，根据停止位长度，在相应的定时间隔后，转至所述空闲状态下将发送引脚设置为高电平的步骤，检查发送下一字节数据。
一种基于软件模拟的多通道串口通信系统，包括：
间隔中断确定模块，用于根据串口波特率和采样点数确定微控制单元MCU中定时器的间隔中断；并将多个通用IO引脚划分为模拟串口的接收引脚以及发送引脚；所述接收引脚为输入模式；所述发送引脚为输出模式；
定时器开始开启模块，用于开启所述定时器；所述定时器产生固定的所述间隔中断；
接收数据模块，用于在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据；
发送数据模块，用于在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法及系统，在定时器固定的时间间隔T，定时采样接收IO引脚的电平，通过采样波形识别数据的起始位、数据位及校验位。每个模拟的接收引脚都有各自的采样数据波形，因此可模拟多路串口。发送数据时在定时器产生的固定中断中改变相应发送IO引脚电平，产生数据波形。本发明只需要一个定时器及若干通用IO引脚即可实现多个串口的模拟；本发明可以很好的识别不标准的串口数据波形，这对现实中各种复杂情况的使用有很好的适用性；进而解决现有技术定时器的数量限制了模拟串口的数量，以及对不规范数据波形识别能力差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法流程示意图；
图2为本发明实例接收下降沿不能快速拉低电平，上升沿不能快速拉高电平的不标准的串口数据波形时的情况示意图；
图3为本发明实例接收数据时每比特的第一个采样点在比特边缘的一个特殊采样情况示意图；
图4为本发明实例接收数据时每比特的最后一个采样点在比特边缘的一个特殊采样情况示意图；
图5为本发明实例接收数据的采样点位示意图；
图6为本发明实例发送数据时的改变电平点位示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于软件模拟的多通道串口通信方法及系统，能够解决现有技术定时器的数量限制了模拟串口的数量的问题，并提高了对不规范数据波形识别能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法，包括：
S101，根据串口波特率和采样点数确定微控制单元MCU中定时器的间隔中断；并将多个通用IO引脚划分为模拟串口的接收引脚以及发送引脚；所述接收引脚为输入模式；所述发送引脚为输出模式；使用定时器定时T时间中断，每个比特数据采样N个点，判断出比特值。[35]由比特值合成字节数据。发送数据时拉低发送引脚，之后每隔N个间隔依次由数据低位到高位比特位开始设定发送引脚电平，比特值为1，设置发送引脚高电平，比特值为0，设置发送引脚低电平。计算正确校验位，设置相应的发送引脚电平。最后拉高发送引脚等待停止位结束。
S101具体包括：
利用公式T＝1/(串口波特率*N)确定定时器的间隔中断；
其中，T为定时器的间隔中断，N为采样点数，N为大于或等于3的整数。
S102，开启所述定时器；所述定时器产生固定的所述间隔中断；
S103，在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据；
S103具体包括：
空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位；
当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位；当采样数据第一次为低电平时进入起始位的判定状态，此时可能是起始位或是干扰脉冲。具体实施时，当第一个低电平采样点在起始位的下降沿时，当前第1、1+N、1+2*N…采样点在比特位变化的边界；当第一个低电平采样点在起始位的下降沿后T时间时，当前第N、2*N…采样点在比特位变化的边界。这两种情况很容易采样不准确，为保证通讯采样可靠，每比特的N个采样点中舍弃第一个和第N个。
根据采样N个点位，确定1比特数据值；并重复执行M次后，判断是否有校验位；其中，M＝数据位+校验位+停止位；为判断准确，舍弃比特边缘两个采样点，根据第2个至第N-1个采样点的一个或多个判断比特数据。有效采样点一致时确定比特值，若不一致可取多数采样点的值为比特值，少数不同的采样值判为干扰，也可直接判为数据出错。
若存在校验位，则统计数据位及校验位值为1的个数，判断是否和校验方式一致；若一致，则当前字节的采样数据传输正确；若不一致，则返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤；
若不存在校验位，则当停止位为高电平时，当前字节的采样数据读取成功，按位合成字节数据值存入接收缓存，否则采样数据读取出错，返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤，等待下一字节数据。
作为一个具体的实施例，所述当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位，具体包括：
采样N-1个点位；
若起始位的N个采样点中的前两个采样点都为低电平，则确定采样数据的起始位；否则返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤。
作为另一个具体的实施例，所述当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位，具体包括：
根据采样数据的波形，采用第2次至第N-1次中的一位或多位进行判断，采样数据的起始位。
S104，在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态。
S104具体包括：
空闲状态下将发送引脚设置为高电平；
检测是否存在待发送的数据；
若存在，则将发送引脚设置为低电平开始发送起始位，经过N个采样间隔后，进入发送数据状态；
当发送字节最低位比特数据为1时，将发送引脚设置为高电平；当发送字节最低位比特数据为0时，将发送引脚设置为低电平；发送数据右移一位；
之后每N个采样间隔重复所述当发送字节最低位比特数据为1时，将发送引脚设置为高电平；当发送字节最低位比特数据为0时，将发送引脚设置为低电平；发送数据右移一位的步骤一次，重复K次，直至当前字节数据发送完成；等待N个采样间隔；K为数据位的位数；
根据校验方式计算出此字节校验位数据，设置相应的发送引脚电平，等待N个采样间隔；
若校验方式为无校验，则将发送引脚设置为高电平，根据停止位长度，在相应的定时间隔后，转至所述空闲状态下将发送引脚设置为高电平的步骤，检查发送下一字节数据。
以下以N＝5，每比特第3、4采样点有效，通信比特率2400位/秒，8位数据位，偶校验，一位停止位为例说明，计算得T＝83微秒。
可以根据实际数据波形，选择其中一个或多个采样点组合确定比特值，以识别不标准的数据波形。例如图2所示，数据每比特前部分如遇下降沿，波形不标准，此时可以规定使用每比特N个采样点中的后半部分的点位(3或4点位)确定比特值。这样对处理实际情况有很大的灵活性，保证数据可靠。
图3所示，当第一个低电平采样点在起始位的下降沿时，当前第1、6、11…采样点在比特位变化的边界；图4所示，当第一个低电平采样点在起始位的下降沿后T时间时，当前第5、10…采样点在比特位变化的边界。这两种情况很容易采样不准确，为保证通讯采样可靠，每比特的N个采样点中舍弃第一个和第N个采样点。
参照图5，本发明的接收过程步骤如下：
1、定时器每83微秒产生中断，采样接收引脚电平并记录。
2、空闲状态接收引脚是高电平，第一次接收到低电平时进入起始状态。
3、再进入4次中断，完成采样起始位的5个点位。判断第3、4采样点电平，若全为低电平，则确定起始位有效，进入数据状态，否则返回步骤1。
4、再进入5次中断，完成采样一位数据位的5个点位。判断次数据位的第3、4采样点电平，若全为低电平，则确定数据位1值为0；若全为高电平，则确定数据位1值为1。若两采样点不相等返回步骤1。
5、重复步骤4，重复10次，获得本次接收的字节数据
6、根据校验方式计算当前字节校验位值，若与接收到的校验位一致，则接收字节数据正确，否则舍弃当前接收字节，返回步骤1。
7、读取停止位值，若为1，则说明接收数据有效，否则数据无效。返回步骤1开始接收下一字节数据
参照图6，本发明的发送过程步骤如下：
1、每个定时器中断中检测是否有数据需要发送，若需要发送，拉低发送引脚，产生起始位。
2、五个定时间隔后，根据发送数据的最低位设置发送引脚电平。若比特值是1，发送引脚置高电平；比特值是0，发送引脚置低电平。发送的字节数据右移1比特。
3、重复步骤2，重复8次，直至当前字节数据发送完成。
4、五个定时间隔后，根据校验方式计算当前字节校验位值，设置校验位发送引脚值。
5、五个定时间隔后，发送引脚置高电平，发送停止位，五个定时间隔后，字节数据发送完成。返回步骤1继续发送下一字节数据。
本发明所提供的一种基于软件模拟的多通道串口通信系统，包括：
间隔中断确定模块，用于根据串口波特率和采样点数确定微控制单元MCU中定时器的间隔中断；并将多个通用IO引脚划分为模拟串口的接收引脚以及发送引脚；所述接收引脚为输入模式；所述发送引脚为输出模式；
定时器开始开启模块，用于开启所述定时器；所述定时器产生固定的所述间隔中断；
接收数据模块，用于在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据；
发送数据模块，用于在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于软件模拟的多通道串口通信方法，其特征在于，包括：
根据串口波特率和采样点数确定微控制单元MCU中定时器的间隔中断；并将多个通用IO引脚划分为模拟串口的接收引脚以及发送引脚；所述接收引脚为输入模式；所述发送引脚为输出模式；
开启所述定时器；所述定时器产生固定的所述间隔中断；
在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据；
在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法，其特征在于，所述根据串口波特率和采样点数确定微控制单元MCU中定时器的间隔中断，具体包括：
利用公式T＝1/(串口波特率*N)确定定时器的间隔中断；
其中，T为定时器的间隔中断，N为采样点数，N为大于或等于3的整数。
3.根据权利要求1所述的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法，其特征在于，所述在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据，具体包括：
空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位；
当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位；
根据采样N个点位，确定1比特数据值；并重复执行M次后，判断是否有校验位；其中，M＝数据位+校验位+停止位；
若存在校验位，则统计数据位及校验位值为1的个数，判断是否和校验方式一致；若一致，则当前字节的采样数据传输正确；若不一致，则返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤；
若不存在校验位，则当停止位为高电平时，当前字节的采样数据读取成功，按位合成字节数据值存入接收缓存，否则采样数据读取出错，返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤，等待下一字节数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法，其特征在于，所述当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位，具体包括：
采样N-1个点位；
若起始位的N个采样点中的前两个采样点都为低电平，则确定采样数据的起始位；否则返回所述空闲状态下将接收引脚设置为高电平，等待低电平的起始位的步骤。
5.根据权利要求3所述的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法，其特征在于，所述当采样数据第一次为低电平时，确定采样数据的起始位，具体包括：
根据采样数据的波形，采用第2次至第N-1次中的一位或多位进行判断，采样数据的起始位。
6.根据权利要求1所述的一种基于软件模拟的多通道串口通信方法，其特征在于，所述在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态，具体包括：
空闲状态下将发送引脚设置为高电平；
检测是否存在待发送的数据；
若存在，则将发送引脚设置为低电平开始发送起始位，经过N个采样间隔后，进入发送数据状态；
当发送字节最低位比特数据为1时，将发送引脚设置为高电平；当发送字节最低位比特数据为0时，将发送引脚设置为低电平；发送数据右移一位；
之后每N个采样间隔重复所述当发送字节最低位比特数据为1时，将发送引脚设置为高电平；当发送字节最低位比特数据为0时，将发送引脚设置为低电平；发送数据右移一位的步骤一次，重复K次，直至当前字节数据发送完成；等待N个采样间隔；K为数据位的位数；
根据校验方式计算出此字节校验位数据，设置相应的发送引脚电平，等待N个采样间隔；
若校验方式为无校验，则将发送引脚设置为高电平，根据停止位长度，在相应的定时间隔后，转至所述空闲状态下将发送引脚设置为高电平的步骤，检查发送下一字节数据。
7.一种基于软件模拟的多通道串口通信系统，其特征在于，包括：
间隔中断确定模块，用于根据串口波特率和采样点数确定微控制单元MCU中定时器的间隔中断；并将多个通用IO引脚划分为模拟串口的接收引脚以及发送引脚；所述接收引脚为输入模式；所述发送引脚为输出模式；
定时器开始开启模块，用于开启所述定时器；所述定时器产生固定的所述间隔中断；
接收数据模块，用于在每一间隔中断中对接收引脚的状态进行采样，并记录以及识别处理采样数据的起始位、数据位、校验位及停止位，提取出传输的数据；
发送数据模块，用于在每一间隔中断中对待发送的数据进行检查；并根据当前发送状态及待发送的数据的数据位设置发送引脚的电平状态。
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