• 痞子衡嵌入式:嵌入式里串口(UART)自动波特率识别程序设计与实现(中断)



      大家好,我是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是嵌入式里串口(UART)自动波特率识别程序设计与实现

      串口(UART)是嵌入式里最基础最常用也最简单的一种通讯(数据传输)方式,可以说是工程师入门通讯领域的启蒙老师,同时串口打印也是嵌入式项目里非常经典的调试与交互方式。

      最精简的串口仅使用两根单向信号线:TXD、RXD,这两根信号线是独立工作的,因此数据收发既可分开也可同时进行,这就是所谓的全双工。串口没有主从机概念,并且没有专门的时钟信号 SCK,所以串口通信也属于异步传输。

      说到异步传输,这就不得不提波特率(每秒钟传输bit数)的问题了,通信双方必须使用一致的波特率才能完成正确的数据传输。正常情况下,我们都是为两个串口设备事先约定好波特率,比如 MCU 与上位机通信,在 MCU 程序里按 115200 的波特率去初始化 UART 外设,然后上位机串口调试助手也设置 115200 波特率,双方再联合工作。

      有时候,我们也希望能有一种灵活的波特率约定方式,比如建立通信前,在上位机串口调试助手里随意设置一种波特率,然后按这个波特率发送数据,MCU 端能自动识别出这个波特率,并用识别出来的波特率去初始化 UART 外设,然后再进行后续数据传输,这种方式就叫自动波特率识别。痞子衡今天要分享的就是在 MCU 里实现自动波特率识别的程序设计:

    一、串口(UART)自动波特率识别程序设计

    1.1 函数接口定义

      首先是设计自动波特率识别程序头文件:autobaud.h ,这个头文件里直接定义如下 3 个接口函数原型。涵盖必备的初始化流程 init()、deinit(),以及最核心的波特率识别功能 get_rate()。

    //! @brief 初始化波特率识别
    void autobaud_init(void);
    
    //! @brief 检测波特率识别是否已完成,并获取波特率值
    bool autobaud_get_rate(uint32_t *rate);
    
    //! @brief 关闭波特率识别
    void autobaud_deinit(void);
    

    1.2 识别设计思想

      关于识别,因为上位机数据是从 RXD 引脚过来的,所以在 MCU 里需要先将 RXD 引脚配置成普通数字输入 GPIO(这个引脚需要上拉,默认保持高电平),然后检测这个 GPIO 的电平跳变(一般用下降沿)并计时。

      下图是典型的 UART 单字节传输时序,I/O 空闲状态是高电平,传输时总是由 1bit 低电平起始位开启,然后是从 LSB 到 MSB 的 8bit 数据位,校验位是可选项(我们暂不开启),最后由 1bit 高电平停止位结束,I/O 回归高电平空闲状态。

    • Note 1:检测下降沿跳变,是因为 I/O 空闲为高,起始位的存在保证了每 Byte 传输周期总是从下降沿开始。
    • Note 2:起始位和停止位两个 bit 的存在还兼有波特率容错的功能,通信双方波特率在 3% 的误差内数据传输均可以正常进行。

      虽然我们不需要约定上位机波特率,但是要想实现波特率自动识别,上位机初始传输的数据却必须要事先约定好(可理解为接头暗号),这涉及到 MCU 里检测电平跳变次数与相应计时计算。这个接头暗号是双向的,MCU 端根据接头暗号识别出波特率后,再将同样的接头暗号通过 UART_TXD 发送给上位机以确认(这部分逻辑不在自动波特率识别程序设计范畴里,应放在项目整体设计里)。

      痞子衡设计的接头暗号是 0x5A, 0xA6 两个字节,两字节暗号相比单字节暗号容错性更好一些(以防 I/O 上有干扰,导致误识别),根据指定的暗号和 UART 传输时序图,我们很容易得到如下常量定义:

    enum _autobaud_counts
    {
        //! 0x5A 字节对应的下降沿个数
        kFirstByteRequiredFallingEdges = 4,
        //! 0xA6 字节对应的下降沿个数
        kSecondByteRequiredFallingEdges = 3,
        //! 0x5A 字节(从起始位到停止位)第一个下降沿到最后一个下降沿之间的实际bit数
        kNumberOfBitsForFirstByteMeasured = 8,
        //! 0xA6 字节(从起始位到停止位)第一个下降沿到最后一个下降沿之间的实际bit数
        kNumberOfBitsForSecondByteMeasured = 7,
        //! 两个下降沿之间允许的最大超时(us)
        kMaximumTimeBetweenFallingEdges = 80000,
        //! 对实际检测出的波特率值做对齐处理,以便于更好地配置UART模块
        kAutobaudStepSize = 1200
    };
    

      上述常量定义里,kMaximumTimeBetweenFallingEdges 指定了两个下降沿之间允许的最大时间间隔,超过这个时间,自动波特率程序将丢掉前面统计的下降沿个数,重头开始识别,这个设计也是为了防止 I/O 上有电平干扰,导致误识别。

      kAutobaudStepSize 常量是为了对检测出的波特率值做对齐处理,公式是 rounded = stepSize * (value/stepSize + 0.5),其中 value 是实际检测出的波特率值,rounded 是对齐后的波特率值,用对齐后的波特率值能更好地配置UART外设(这跟UART模块里波特率发生器SBR设计有关)。

      最后就是 I/O 电平下降沿检测方法设计,这里既可以用软件查询(就是循环读取 I/O 输入电平,比较当前值与上一次值的差异),也可以使用GPIO模块自带的边沿中断功能。推荐使用后者,一方面计时更精确,另外也不用阻塞系统。检测到下降沿发生就调用一次如下 pin_transition_callback() 函数,在这个函数里统计跳变次数以及计时。

    //! @brief 管脚下降沿跳变回调函数
    static void pin_transition_callback(void);
    

    1.3 主代码实现

      根据上一小节描述的设计思想,我们很容易写出下面的主代码(autobaud_irq.c),代码里痞子衡都做了详细注释。有一点要提的是关于其中系统计时,可参考痞子衡旧文 《嵌入式里通用微秒(microseconds)计时函数框架设计与实现》

    //! @brief 使能GPIO管脚中断
    extern void enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t func);
    //! @brief 关闭GPIO管脚中断
    extern void disable_autobaud_pin_irq(void);
    
    //!< 已检测到的下降沿个数
    static uint32_t s_transitionCount;
    //!< 0x5A 字节检测期间内对应计数值
    static uint64_t s_firstByteTotalTicks;
    //!< 0xA6 字节检测期间内对应计数值
    static uint64_t s_secondByteTotalTicks;
    //!< 上一次下降沿发生时系统计数值
    static uint64_t s_lastToggleTicks;
    //!< 下降沿之间最大超时对应计数值
    static uint64_t s_ticksBetweenFailure;
    
    void autobaud_init(void)
    {
        s_transitionCount = 0;
        s_firstByteTotalTicks = 0;
        s_secondByteTotalTicks = 0;
        s_lastToggleTicks = 0;
        // 计算出下降沿之间最大超时对应计数值
        s_ticksBetweenFailure = microseconds_convert_to_ticks(kMaximumTimeBetweenFallingEdges);
        // 使能GPIO管脚中断,并注册中断处理回调函数
        enable_autobaud_pin_irq(pin_transition_callback);
    }
    
    void autobaud_deinit(void)
    {
        // 关闭GPIO管脚中断
        disable_autobaud_pin_irq();
    }
    
    bool autobaud_get_rate(uint32_t *rate)
    {
        if (s_transitionCount == (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges))
        {
            // 计算出实际检测到的波特率值
            uint32_t calculatedBaud =
                (microseconds_get_clock() * (kNumberOfBitsForFirstByteMeasured + kNumberOfBitsForSecondByteMeasured)) /
                (uint32_t)(s_firstByteTotalTicks + s_secondByteTotalTicks);
    
            // 对实际检测出的波特率值做对齐处理
            // 公式:rounded = stepSize * (value/stepSize + .5)
            *rate = ((((calculatedBaud * 10) / kAutobaudStepSize) + 5) / 10) * kAutobaudStepSize;
    
            return true;
        }
        else
        {
            return false;
        }
    }
    
    void pin_transition_callback(void)
    {
        // 获取当前系统计数值
        uint64_t ticks = microseconds_get_ticks();
        // 计数这次检测到的下降沿
        s_transitionCount++;
    
        // 如果本次下降沿与上次下降沿之间间隔过长,则从头开始检测
        uint64_t delta = ticks - s_lastToggleTicks;
        if (delta > s_ticksBetweenFailure)
        {
            s_transitionCount = 1;
        }
    
        switch (s_transitionCount)
        {
            case 1:
                // 0x5A 字节检测时间起点
                s_firstByteTotalTicks = ticks;
                break;
    
            case kFirstByteRequiredFallingEdges:
                // 得到 0x5A 字节检测期间内对应计数值
                s_firstByteTotalTicks = ticks - s_firstByteTotalTicks;
                break;
    
            case (kFirstByteRequiredFallingEdges + 1):
                // 0xA6 字节检测时间起点
                s_secondByteTotalTicks = ticks;
                break;
    
            case (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges):
                // 得到 0xA6 字节检测期间内对应计数值
                s_secondByteTotalTicks = ticks - s_secondByteTotalTicks;
                // 关闭GPIO管脚中断
                disable_autobaud_pin_irq();
                break;
        }
    
        // 记录本次下降沿发生时系统计数值
        s_lastToggleTicks = ticks;
    }
    

    二、串口(UART)自动波特率识别程序实现

      前面讲的都是硬件无关设计,但最终还是要落实到具体 MCU 平台上的,其中 GPIO 中断部分是跟 MCU 紧相关的。我们以恩智浦 i.MXRT1011 为例来介绍硬件实现。

    2.1 管脚中断方式实现(基于i.MXRT1011)

      恩智浦 MIMXRT1010-EVK 有板载调试器 DAPLink,这个 DAPLink 中也集成了 USB 转串口的功能,对应的 UART 引脚是 IOMUXC_GPIO_09_LPUART1_RXD 和 IOMUXC_GPIO_10_LPUART1_TXD,我们就选用这个管脚 GPIO1[9] 做自动波特率检测,实现代码如下(注:代码里中断处理函数 GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler 实际上有点小缺陷,详见 《中断处理函数(IRQHandler)的标准流程》):

    typedef void (*pin_irq_callback_t)(void);
    static pin_irq_callback_t s_pin_irq_func;
    
    //! @brief UART引脚功能切换函数
    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管脚中断
    void enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t func)
    {
        s_pin_irq_func = func;
        // 开启GPIO1_9下降沿中断
        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中断处理函数
    void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void)
    {
        uint32_t interrupt_flag = (1U << 9);
        // 仅当GPIO1_9中断发生时
        if ((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func)
        {
            //执行一次回调函数
            s_pin_irq_func();
            GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag);
        }
    }
    

    2.2 在MIMXRT1010-EVK上实测

      一切就绪,我们现在来实测一下,主函数流程很简单,测试结果也表明达到了预期效果,每次将 MCU 程序复位运行后,串口调试助手里可任意设置波特率。

    int main(void)
    {
        // 略去系统时钟配置...
        // 初始化定时器
        microseconds_init();
        // 将GPIO1_9先配成输入GPIO
        bool setGpio = true;
        uart_pinmux_config(setGpio);
        // 初始化波特率识别
        autobaud_init();
        // 检测波特率识别是否已完成,并获取波特率值
        uint32_t baudrate;
        while (!autobaud_get_rate(&baudrate));
        // 关闭波特率识别
        autobaud_deinit();
        // 配置UART1引脚
        setGpio = false;
        uart_pinmux_config(setGpio);
        // 初始化UART1外设
        uint32_t uartClkSrcFreq = BOARD_DebugConsoleSrcFreq();
        DbgConsole_Init(1, baudrate, kSerialPort_Uart, uartClkSrcFreq);
    
        PRINTF("Autobaud test success
    ");
        PRINTF("Detected baudrate is %d
    ", baudrate);
    
        while (1);
    }
    

      至此,嵌入式里串口(UART)自动波特率识别程序设计与实现痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

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      衡杰(痞子衡),目前就职于恩智浦MCU系统部门,担任嵌入式系统应用工程师。

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