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(dòng)波特率識(shí)別程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

串口(UART)是嵌入式里最基礎(chǔ)最常用也最簡(jiǎn)單的一種通訊（數(shù)據(jù)傳輸）方式，可以說(shuō)是工程師入門(mén)通訊領(lǐng)域的啟蒙老師，同時(shí)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(jiǎn)的串口僅使用兩根單向信號(hào)線：TXD、RXD，這兩根信號(hào)線是獨(dú)立工作的，因此數(shù)據(jù)收發(fā)既可分開(kāi)也可同時(shí)進(jìn)行，這就是所謂的全雙工。串口沒(méi)有主從機(jī)概念，并且沒(méi)有專門(mén)的時(shí)鐘信號(hào) SCK，所以串口通信也屬于異步傳輸。

說(shuō)到異步傳輸，這就不得不提波特率（每秒鐘傳輸bit數(shù)）的問(wèn)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(gè)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(shí)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(gè)波特率發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU 端能自動(dòng)識(shí)別出這個(gè)波特率，并用識(shí)別出來(lái)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(dòng)波特率識(shí)別。痞子衡今天要分享的就是在 MCU 里實(shí)現(xiàn)自動(dòng)波特率識(shí)別的程序設(shè)計(jì)：

• 程序主頁(yè)：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/components/autobaud

一、串口(UART)自動(dòng)波特率識(shí)別程序設(shè)計(jì)

1.1 函數(shù)接口定義

首先是設(shè)計(jì)自動(dòng)波特率識(shí)別程序頭文件：autobaud.h ，這個(gè)頭文件里直接定義如下 3 個(gè)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(shí)別功能 get_rate()。

//!?@brief?初始化波特率識(shí)別
void?autobaud_init(void);

//!?@brief?檢測(cè)波特率識(shí)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(shí)別
void?autobaud_deinit(void);


1.2 識(shí)別設(shè)計(jì)思想

關(guān)于識(shí)別，因?yàn)樯衔粰C(jī)數(shù)據(jù)是從 RXD 引腳過(guò)來(lái)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(gè)引腳需要上拉，默認(rèn)保持高電平），然后檢測(cè)這個(gè) GPIO 的電平跳變（一般用下降沿）并計(jì)時(shí)。

下圖是典型的 UART 單字節(jié)傳輸時(shí)序，I/O 空閑狀態(tài)是高電平，傳輸時(shí)總是由 1bit 低電平起始位開(kāi)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(kāi)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(cè)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(kāi)始。
• Note 2：起始位和停止位兩個(gè) bit 的存在還兼有波特率容錯(cuò)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。

雖然我們不需要約定上位機(jī)波特率，但是要想實(shí)現(xiàn)波特率自動(dòng)識(shí)別，上位機(jī)初始傳輸?shù)臄?shù)據(jù)卻必須要事先約定好（可理解為接頭暗號(hào)），這涉及到 MCU 里檢測(cè)電平跳變次數(shù)與相應(yīng)計(jì)時(shí)計(jì)算。MCU識(shí)別完成后將暗號(hào)發(fā)回給上位機(jī)確認(rèn)。

痞子衡設(shè)計(jì)的接頭暗號(hào)是 0x5A, 0xA6 兩個(gè)字節(jié)，兩字節(jié)暗號(hào)相比單字節(jié)暗號(hào)容錯(cuò)性更好一些（以防 I/O 上有干擾，導(dǎo)致誤識(shí)別），根據(jù)指定的暗號(hào)和 UART 傳輸時(shí)序圖，我們很容易得到如下常量定義：

enum?_autobaud_counts
{
????//!?0x5A?字節(jié)對(duì)應(yīng)的下降沿個(gè)數(shù)
????kFirstByteRequiredFallingEdges?=?4,
????//!?0xA6?字節(jié)對(duì)應(yīng)的下降沿個(gè)數(shù)
????kSecondByteRequiredFallingEdges?=?3,
????//!?0x5A?字節(jié)（從起始位到停止位）第一個(gè)下降沿到最后一個(gè)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(gè)下降沿到最后一個(gè)下降沿之間的實(shí)際bit數(shù)
????kNumberOfBitsForSecondByteMeasured?=?7,
????//!?兩個(gè)下降沿之間允許的最大超時(shí)(us)
????kMaximumTimeBetweenFallingEdges?=?80000,
????//!?對(duì)實(shí)際檢測(cè)出的波特率值做對(duì)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(gè)下降沿之間允許的最大時(shí)間間隔，超過(guò)這個(gè)時(shí)間，自動(dòng)波特率程序?qū)G掉前面統(tǒng)計(jì)的下降沿個(gè)數(shù)，重頭開(kāi)始識(shí)別，這個(gè)設(shè)計(jì)也是為了防止 I/O 上有電平干擾，導(dǎo)致誤識(shí)別。

kAutobaudStepSize 常量是為了對(duì)檢測(cè)出的波特率值做對(duì)齊處理，公式是 rounded = stepSize * (value/stepSize 0.5)，其中 value 是實(shí)際檢測(cè)出的波特率值，rounded 是對(duì)齊后的波特率值，用對(duì)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(jì)有關(guān)）。

最后就是 I/O 電平下降沿檢測(cè)方法設(shè)計(jì)，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(jì)時(shí)更精確，另外也不用阻塞系統(tǒng)。檢測(cè)到下降沿發(fā)生就調(diào)用一次如下 pin_transition_callback() 函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)里統(tǒng)計(jì)跳變次數(shù)以及計(jì)時(shí)。

//!?@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(jì)思想，我們很容易寫(xiě)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(jì)時(shí)，可參考痞子衡舊文 《嵌入式里通用微秒(microseconds)計(jì)時(shí)函數(shù)框架設(shè)計(jì)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(jì)算出下降沿之間最大超時(shí)對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值
????s_ticksBetweenFailure?=?microseconds_convert_to_ticks(kMaximumTimeBetweenFallingEdges);
????//?使能GPIO管腳中斷，并注冊(cè)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(jì)算出實(shí)際檢測(cè)到的波特率值
????????uint32_t?calculatedBaud?=
????????????(microseconds_get_clock()?*?(kNumberOfBitsForFirstByteMeasured? ?kNumberOfBitsForSecondByteMeasured))?/
????????????(uint32_t)(s_firstByteTotalTicks? ?s_secondByteTotalTicks);

????????//?對(duì)實(shí)際檢測(cè)出的波特率值做對(duì)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(jì)數(shù)值
????uint64_t?ticks?=?microseconds_get_ticks();
????//?計(jì)數(shù)這次檢測(cè)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(guò)長(zhǎng)，則從頭開(kāi)始檢測(cè)
????uint64_t?delta?=?ticks?-?s_lastToggleTicks;
????if?(delta?>?s_ticksBetweenFailure)
????{
????????s_transitionCount?=?1;
????}

????switch?(s_transitionCount)
????{
????????case?1:
????????????//?0x5A?字節(jié)檢測(cè)時(shí)間起點(diǎn)
????????????s_firstByteTotalTicks?=?ticks;
????????????break;

????????case?kFirstByteRequiredFallingEdges:
????????????//?得到?0x5A?字節(jié)檢測(cè)期間內(nèi)對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值
????????????s_firstByteTotalTicks?=?ticks?-?s_firstByteTotalTicks;
????????????break;

????????case?(kFirstByteRequiredFallingEdges? ?1):
????????????//?0xA6?字節(jié)檢測(cè)時(shí)間起點(diǎn)
????????????s_secondByteTotalTicks?=?ticks;
????????????break;

????????case?(kFirstByteRequiredFallingEdges? ?kSecondByteRequiredFallingEdges):
????????????//?得到?0xA6?字節(jié)檢測(cè)期間內(nèi)對(duì)應(yīng)計(jì)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(shí)系統(tǒng)計(jì)數(shù)值
????s_lastToggleTicks?=?ticks;
}


二、串口(UART)自動(dòng)波特率識(shí)別程序?qū)崿F(xiàn)

前面講的都是硬件無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)，但最終還是要落實(shí)到具體 MCU 平臺(tái)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(lái)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(gè) DAPLink 中也集成了 USB 轉(zhuǎn)串口的功能，對(duì)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(gè)管腳 GPIO1[9] 做自動(dòng)波特率檢測(cè)，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(kāi)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(shí)
????if?((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1)?