干貨 | 串口自動波特率識別程序設(shè)計
[導(dǎo)讀]大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是嵌入式里串口(UART)自動波特率識別程序設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。串口(UART)是嵌入式里最基礎(chǔ)最常用也最簡單的一種通訊（數(shù)據(jù)傳輸）方式，可以說是工程師入門通訊領(lǐng)域的啟蒙老師，同時串口打印也是嵌入式項(xiàng)目里非常經(jīng)典的調(diào)試與交互方...
大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是嵌入式里串口(UART)自動波特率識別程序設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。串口(UART)是嵌入式里最基礎(chǔ)最常用也最簡單的一種通訊（數(shù)據(jù)傳輸）方式，可以說是工程師入門通訊領(lǐng)域的啟蒙老師，同時串口打印也是嵌入式項(xiàng)目里非常經(jīng)典的調(diào)試與交互方式。最精簡的串口僅使用兩根單向信號線：TXD、RXD，這兩根信號線是獨(dú)立工作的，因此數(shù)據(jù)收發(fā)既可分開也可同時進(jìn)行，這就是所謂的全雙工。串口沒有主從機(jī)概念，并且沒有專門的時鐘信號 SCK，所以串口通信也屬于異步傳輸。說到異步傳輸，這就不得不提波特率（每秒鐘傳輸bit數(shù)）的問題了，通信雙方必須使用一致的波特率才能完成正確的數(shù)據(jù)傳輸。正常情況下，我們都是為兩個串口設(shè)備事先約定好波特率，比如 MCU 與上位機(jī)通信，在 MCU 程序里按 115200 的波特率去初始化 UART 外設(shè)，然后上位機(jī)串口調(diào)試助手也設(shè)置 115200 波特率，雙方再聯(lián)合工作。有時候，我們也希望能有一種靈活的波特率約定方式，比如建立通信前，在上位機(jī)串口調(diào)試助手里隨意設(shè)置一種波特率，然后按這個波特率發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU 端能自動識別出這個波特率，并用識別出來的波特率去初始化 UART 外設(shè)，然后再進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，這種方式就叫自動波特率識別。痞子衡今天要分享的就是在 MCU 里實(shí)現(xiàn)自動波特率識別的程序設(shè)計：
- 程序主頁：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/components/autobaud
一、串口(UART)自動波特率識別程序設(shè)計
1.1 函數(shù)接口定義
首先是設(shè)計自動波特率識別程序頭文件：autobaud.h ，這個頭文件里直接定義如下 3 個接口函數(shù)原型。涵蓋必備的初始化流程 init()、deinit()，以及最核心的波特率識別功能 get_rate()。//!?@brief?初始化波特率識別
void?autobaud_init(void);
//!?@brief?檢測波特率識別是否已完成，并獲取波特率值
bool?autobaud_get_rate(uint32_t?*rate);
//!?@brief?關(guān)閉波特率識別
void?autobaud_deinit(void);
1.2 識別設(shè)計思想
關(guān)于識別，因?yàn)樯衔粰C(jī)數(shù)據(jù)是從 RXD 引腳過來的，所以在 MCU 里需要先將 RXD 引腳配置成普通數(shù)字輸入 GPIO（這個引腳需要上拉，默認(rèn)保持高電平），然后檢測這個 GPIO 的電平跳變（一般用下降沿）并計時。下圖是典型的 UART 單字節(jié)傳輸時序，I/O 空閑狀態(tài)是高電平，傳輸時總是由 1bit 低電平起始位開啟，然后是從 LSB 到 MSB 的 8bit 數(shù)據(jù)位，校驗(yàn)位是可選項(xiàng)（我們暫不開啟），最后由 1bit 高電平停止位結(jié)束，I/O 回歸高電平空閑狀態(tài)。
- Note 1：檢測下降沿跳變，是因?yàn)?I/O 空閑為高，起始位的存在保證了每 Byte 傳輸周期總是從下降沿開始。
- Note 2：起始位和停止位兩個 bit 的存在還兼有波特率容錯的功能，通信雙方波特率在 3% 的誤差內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸均可以正常進(jìn)行。
enum?_autobaud_counts
{
????//!?0x5A?字節(jié)對應(yīng)的下降沿個數(shù)
????kFirstByteRequiredFallingEdges?=?4,
????//!?0xA6?字節(jié)對應(yīng)的下降沿個數(shù)
????kSecondByteRequiredFallingEdges?=?3,
????//!?0x5A?字節(jié)（從起始位到停止位）第一個下降沿到最后一個下降沿之間的實(shí)際bit數(shù)
????kNumberOfBitsForFirstByteMeasured?=?8,
????//!?0xA6?字節(jié)（從起始位到停止位）第一個下降沿到最后一個下降沿之間的實(shí)際bit數(shù)
????kNumberOfBitsForSecondByteMeasured?=?7,
????//!?兩個下降沿之間允許的最大超時(us)
????kMaximumTimeBetweenFallingEdges?=?80000,
????//!?對實(shí)際檢測出的波特率值做對齊處理，以便于更好地配置UART模塊
????kAutobaudStepSize?=?1200
};
上述常量定義里，kMaximumTimeBetweenFallingEdges 指定了兩個下降沿之間允許的最大時間間隔，超過這個時間，自動波特率程序?qū)G掉前面統(tǒng)計的下降沿個數(shù)，重頭開始識別，這個設(shè)計也是為了防止 I/O 上有電平干擾，導(dǎo)致誤識別。kAutobaudStepSize 常量是為了對檢測出的波特率值做對齊處理，公式是 rounded = stepSize * (value/stepSize 0.5)，其中 value 是實(shí)際檢測出的波特率值，rounded 是對齊后的波特率值，用對齊后的波特率值能更好地配置UART外設(shè)（這跟UART模塊里波特率發(fā)生器SBR設(shè)計有關(guān)）。最后就是 I/O 電平下降沿檢測方法設(shè)計，這里既可以用軟件查詢（就是循環(huán)讀取 I/O 輸入電平，比較當(dāng)前值與上一次值的差異），也可以使用GPIO模塊自帶的邊沿中斷功能。推薦使用后者，一方面計時更精確，另外也不用阻塞系統(tǒng)。檢測到下降沿發(fā)生就調(diào)用一次如下 pin_transition_callback() 函數(shù)，在這個函數(shù)里統(tǒng)計跳變次數(shù)以及計時。//!?@brief?管腳下降沿跳變回調(diào)函數(shù)
static?void?pin_transition_callback(void);
1.3 主代碼實(shí)現(xiàn)
根據(jù)上一小節(jié)描述的設(shè)計思想，我們很容易寫出下面的主代碼（autobaud_irq.c），代碼里痞子衡都做了詳細(xì)注釋。有一點(diǎn)要提的是關(guān)于其中系統(tǒng)計時，可參考痞子衡舊文 《嵌入式里通用微秒(microseconds)計時函數(shù)框架設(shè)計與實(shí)現(xiàn)》 。//!?@brief?使能GPIO管腳中斷
extern?void?enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t?func);
//!?@brief?關(guān)閉GPIO管腳中斷
extern?void?disable_autobaud_pin_irq(void);
//!
static?uint32_t?s_transitionCount;
//!
static?uint64_t?s_firstByteTotalTicks;
//!
static?uint64_t?s_secondByteTotalTicks;
//!
static?uint64_t?s_lastToggleTicks;
//!
static?uint64_t?s_ticksBetweenFailure;
void?autobaud_init(void)
{
????s_transitionCount?=?0;
????s_firstByteTotalTicks?=?0;
????s_secondByteTotalTicks?=?0;
????s_lastToggleTicks?=?0;
????//?計算出下降沿之間最大超時對應(yīng)計數(shù)值
????s_ticksBetweenFailure?=?microseconds_convert_to_ticks(kMaximumTimeBetweenFallingEdges);
????//?使能GPIO管腳中斷，并注冊中斷處理回調(diào)函數(shù)
????enable_autobaud_pin_irq(pin_transition_callback);
}
void?autobaud_deinit(void)
{
????//?關(guān)閉GPIO管腳中斷
????disable_autobaud_pin_irq();
}
bool?autobaud_get_rate(uint32_t?*rate)
{
????if?(s_transitionCount?==?(kFirstByteRequiredFallingEdges? ?kSecondByteRequiredFallingEdges))
????{
????????//?計算出實(shí)際檢測到的波特率值
????????uint32_t?calculatedBaud?=
????????????(microseconds_get_clock()?*?(kNumberOfBitsForFirstByteMeasured? ?kNumberOfBitsForSecondByteMeasured))?/
????????????(uint32_t)(s_firstByteTotalTicks? ?s_secondByteTotalTicks);
????????//?對實(shí)際檢測出的波特率值做對齊處理
????????//?公式：rounded = stepSize *?(value/stepSize .5)
????????*rate?=?((((calculatedBaud?*?10)?/?kAutobaudStepSize)? ?5)?/?10)?*?kAutobaudStepSize;
????????return?true;
????}
????else
????{
????????return?false;
????}
}
void?pin_transition_callback(void)
{
????//?獲取當(dāng)前系統(tǒng)計數(shù)值
????uint64_t?ticks?=?microseconds_get_ticks();
????//?計數(shù)這次檢測到的下降沿
????s_transitionCount ;
????//?如果本次下降沿與上次下降沿之間間隔過長，則從頭開始檢測
????uint64_t?delta?=?ticks?-?s_lastToggleTicks;
????if?(delta?>?s_ticksBetweenFailure)
????{
????????s_transitionCount?=?1;
????}
????switch?(s_transitionCount)
????{
????????case?1:
????????????//?0x5A?字節(jié)檢測時間起點(diǎn)
????????????s_firstByteTotalTicks?=?ticks;
????????????break;
????????case?kFirstByteRequiredFallingEdges:
????????????//?得到?0x5A?字節(jié)檢測期間內(nèi)對應(yīng)計數(shù)值
????????????s_firstByteTotalTicks?=?ticks?-?s_firstByteTotalTicks;
????????????break;
????????case?(kFirstByteRequiredFallingEdges? ?1):
????????????//?0xA6?字節(jié)檢測時間起點(diǎn)
????????????s_secondByteTotalTicks?=?ticks;
????????????break;
????????case?(kFirstByteRequiredFallingEdges? ?kSecondByteRequiredFallingEdges):
????????????//?得到?0xA6?字節(jié)檢測期間內(nèi)對應(yīng)計數(shù)值
????????????s_secondByteTotalTicks?=?ticks?-?s_secondByteTotalTicks;
????????????//?關(guān)閉GPIO管腳中斷
????????????disable_autobaud_pin_irq();
????????????break;
????}
????//?記錄本次下降沿發(fā)生時系統(tǒng)計數(shù)值
????s_lastToggleTicks?=?ticks;
}
二、串口(UART)自動波特率識別程序?qū)崿F(xiàn)
前面講的都是硬件無關(guān)設(shè)計，但最終還是要落實(shí)到具體 MCU 平臺上的，其中 GPIO 中斷部分是跟 MCU 緊相關(guān)的。我們以恩智浦 i.MXRT1011 為例來介紹硬件實(shí)現(xiàn)。2.1 管腳中斷方式實(shí)現(xiàn)（基于i.MXRT1011）
恩智浦 MIMXRT1010-EVK 有板載調(diào)試器 DAPLink，這個 DAPLink 中也集成了 USB 轉(zhuǎn)串口的功能，對應(yīng)的 UART 引腳是 IOMUXC_GPIO_09_LPUART1_RXD 和 IOMUXC_GPIO_10_LPUART1_TXD，我們就選用這個管腳 GPIO1[9] 做自動波特率檢測，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
- BSP程序：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/apps/autobaud_imxrt1011/bsp/src/pinmux_utility.c
typedef?void?(*pin_irq_callback_t)(void);
static?pin_irq_callback_t?s_pin_irq_func;
//!?@brief?UART引腳功能切換函數(shù)
void?uart_pinmux_config(bool?setGpio)
{
????if?(setGpio)
????{
????????IOMUXC_SetUartAutoBaudPinMode(IOMUXC_GPIO_09_GPIOMUX_IO09,?GPIO1,?9);
????}
????else
????{
????????IOMUXC_SetUartPinMode(IOMUXC_GPIO_09_LPUART1_RXD);
????????IOMUXC_SetUartPinMode(IOMUXC_GPIO_10_LPUART1_TXD);
????}
}
//!?@brief?使能GPIO管腳中斷
void?enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t?func)
{
????s_pin_irq_func?=?func;
????//?開啟GPIO1_9下降沿中斷
????GPIO_SetPinInterruptConfig(GPIO1,?9,?kGPIO_IntFallingEdge);
????GPIO1->IMR?|=?(1U?<9);
????NVIC_SetPriority(GPIO1_Combined_0_15_IRQn,?1);
????NVIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_0_15_IRQn);
}
//!?@brief?GPIO中斷處理函數(shù)
void?GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void)
{
????uint32_t?interrupt_flag?=?(1U?<9);
????//?僅當(dāng)GPIO1_9中斷發(fā)生時
????if?((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1)? 
下載文檔
