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最近一个哥们找我询问单片机任意端口模拟串口的思路，突然想起以前在学生时期做过一个多串口转发器，使用的是ATmega8A，跟大家一起分享。
模拟多串口转发器实现的功能：
1. 任意单片机端口模拟串口RX和TX
2. 全双工多路串口
3. 数据帧检验和转发功能
之前设计这个转发器，目的是为了实现串口组网，将不同的控制器，通过一个串口转发器，组成一个星形网络，网络中的任意主机可以互相通信。
下面简单介绍下模拟串口TX和RX的思路
1.发送：
根据串口帧格式分析，发送一个数据只需产生对应波特率的数据帧格式波形。对每一位的时间控制可以使用定时器，这里使用ATmega8A的定时器0，来作为模拟串口发送的时序控制。
帧格式发送实现的基本思路如下：将定时器0的溢出率设置为波特率的2倍，在一个比特位的持续时间中，定时器0会溢出两次，在前一次的溢出中，将每个串口所需要发送的比特位值，处理好后存储在一个名为Simulated_TX_Bit_Buffer的字节中，该字节的每一位代表着每一个串口（串口0~7）所需要发送的比特位值，当定时器第二次溢出时，通过端口映射，将Simulated_TX_Bit_Buffer对应比特位的高低电平数据，映射到对应的串口发送端口（TX0~7），这样相当于发送了一位。虽然定时器0溢出率为波特率的两倍，但是其只在第二次溢出时才改写端口电平，相当于每一位持续时间与对应波特率相当，实现每一位的时间控制。
在实现了每一位的时间控制后，根据当前发送的字节具体数值，加上一个起始位和停止位，以及相应控制，最终实现一个字节的完整发送，下图完整说明了模拟串口发送数据帧的原理：
在程序中，设定有一个标志位寄存器Flags0，其中的bit0位为TIMER0_OVERFLOW位，每次定时器0溢出，就会将此位翻转，可以看成如图5-2所示的定时器0溢出波形。在TIMER0_OVERFLOW位为0时（下降沿），将每个串口所需发送的比特位读取到Simulated_TX_Bit_Buffer中的对应位置。而每个串口所需发送的比特位，与Simulated_UDR_TXx（串口x发送数据寄存器）以及Simulated_Shift_Counter_TXx（串口x发送移位计数器）有关。Simulated_UDR_TXx存储着串口x发送的字节信息，Simulated_Shift_Counter_TXx存储着当前字节已经发送了多少位，一个字节发送完毕后，Simulated_Shift_Counter_TXx即为0，表示一个字节发送完毕。
2.接收
串口发送关键在于根据串口的帧格式，发送对应时序的帧，实现串口模拟。接收是发送的逆向工作，其基本原理与发送类似，根据接收到帧的时序，在一定时间内读取每一位电平，先读低位再读高位，最终拼接成一个完整的字节数据。 与发送不同的是，模拟串口发送时，有自己的发送节拍，即定时器0溢出，对多个串口可以做类似的处理。而串口接收时，不同串口接收到数据相位是不同的，比如串口0正在接收字节的第2位，而串口1开始收到了起始位，由于串口数据帧每一位的持续时间有限，需要在一定时间内完成读取并进行处理，如果不能及时同步到外界发送过来的数据帧并处理，就会导致接收失败，当串口数很多时，更是如此。基于上述分析，模拟串口接收需要一个同步措施，针对不同时间到来的数据帧，能及时与接收到的串口信号同步并读取位信息，实现多串口模拟接收。
接收串口数据的实质，在于能正确读取外界发送的串口信号。根据采样定理，要使采样得到的波形不失真，采样频率必须大于波形最大频率的2倍。为了更好地进行采样，这里将采样频率设为波特率的4倍，使用定时器2溢出生成采样节拍。类似于模拟串口发送，其在Flags0中的状态位TIMER0_OVERFLOW包含0,1两种状态，定时器2由于其溢出频率为波特率4倍，那么在Flags0中状态位设置为两个，分别是TIMER2_OVERFLOW1，TIMER2_OVERFLOW0，其包含4种状态00,01,10,11，模拟串口接收的基本思路如下：在每一个定时器2溢出时，检测串口RXx端口的电平，起始电平是低电平，当检测到低电平后，记录下当前定时器2的状态，此时程序开始与该串口的数据帧同步。程序中设置有两个字节的接收匹配寄存器Simulated_RX_Match_State_H，Simulated_RX_Match_State_L，每个串口占用两个比特位，用于记录其接收匹配信息。当RXx检测到低电平时，将匹配信息设置为当前定时器2状态的下一个，如当前检测到低电平的时候定时器2状态位01，那么设置该串口的匹配信息为10。当下一次定时器2溢出时，其匹配状态变为10，正好与该串口匹配，说明该串口可以读取当前接收端口的数据位。由于在检测到低电平时设置了匹配信息，这个信息正是用来作为串口数据接收同步信号，以后每次要等到定时器2状态与匹配信息一致时，才进行位读取，显然，由于定时器2溢出频率为波特率的4倍，而定时器2要经过4次变化才能变为原来的状态，所以每次采样的点与帧格式保持同步，当读取完所有的位后，即可组装成一个字节，实现一个完整字节的接收。 下图完整地说明了模拟串口接收的实现原理
可以看出，在检测到匹配后，在对应匹配值的下一个状态即进行位读取，每一个串口匹配信息可能不一样，因此读取时间也不一致，但均能保持同步，以实现正确的数据读取，类似于发送，接收到的位信息将会存储到Simulated_UDR_RXx（串口x接收数据寄存器），具体送入哪一位与Simulated_Shift_Counter_RXx（串口x接收移位计数器）有关，当一个数据帧接收完成后，Simulated_Shift_Counter_RXx将会变为0，表示一个字节接收完成。
在实现了上面的模拟串口功能后，再实现网络数据帧的转发，网络帧的格式如下
具体如何检验帧，如何转发就不详细描述了，最后看看整个软件的架构
软件是用汇编写的，总共占用的FLASH大小约为1.2K，很适合小型或低成本单片机场合下使用，附件为代码源工程（AVR Studio，以及详细的设计说明书，供大家参考，希望可以分享给大家自己之前做这个东西时的思路）
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阿莫论坛20周年了！感谢大家的支持与爱护！！
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发表于 2018-4-23 20:25:07
楼主
。。。这基本把AVR当fpga使用了把
，只是速度问题
