串口(UART)自动波特率识别程序设计

鱼鹰谈单片机 2021-06-29 20:30

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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：

程序主页：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/components/autobaud

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。MCU识别完成后将暗号发回给上位机确认。

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：

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\r\n");
    PRINTF("Detected baudrate is %d\r\n", 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~~~