串口(UART)自動波特率識別程序設(shè)計(jì)

以下文章來源于痞子衡嵌入式 ，作者痞子衡

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(jì)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(jì)：

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(jì)

1.1 函數(shù)接口定義

首先是設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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。

雖然我們不需要約定上位機(jī)波特率，但是要想實(shí)現(xiàn)波特率自動識別，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），這涉及到 MCU 里檢測電平跳變次數(shù)與相應(yīng)計(jì)時計(jì)算。MCU識別完成后將暗號發(fā)回給上位機(jī)確認(rèn)。

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

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(jì)的下降沿個數(shù)，重頭開始識別，這個設(shè)計(jì)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(jì)有關(guān)）。

最后就是 I/O 電平下降沿檢測方法設(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(jì)跳變次數(shù)以及計(jì)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(jì)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(jì)時，可參考痞子衡舊文 《嵌入式里通用微秒(microseconds)計(jì)時函數(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);
//!< 已檢測到的下降沿個數(shù)
static uint32_t s_transitionCount;
//!< 0x5A 字節(jié)檢測期間內(nèi)對應(yīng)計(jì)數(shù)值
static uint64_t s_firstByteTotalTicks;
//!< 0xA6 字節(jié)檢測期間內(nèi)對應(yīng)計(jì)數(shù)值
static uint64_t s_secondByteTotalTicks;
//!< 上一次下降沿發(fā)生時系統(tǒng)計(jì)數(shù)值
static uint64_t s_lastToggleTicks;
//!< 下降沿之間最大超時對應(yīng)計(jì)數(shù)值
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對應(yīng)計(jì)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(jì)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(jì)數(shù)值
    uint64_t ticks = microseconds_get_ticks();
    // 計(jì)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(jì)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(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)生時系統(tǒng)計(jì)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(jì)，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) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func)
    {
        //執(zhí)行一次回調(diào)函數(shù)
        s_pin_irq_func();
        GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag);
    }
}

2.2 在MIMXRT1010-EVK上實(shí)測

一切就緒，我們現(xiàn)在來實(shí)測一下，主函數(shù)流程很簡單，測試結(jié)果也表明達(dá)到了預(yù)期效果，每次將 MCU 程序復(fù)位運(yùn)行后，串口調(diào)試助手里可任意設(shè)置波特率。

int main(void)
{
    // 略去系統(tǒng)時鐘配置...
    // 初始化定時器
    microseconds_init();
    // 將GPIO1_9先配成輸入GPIO
    bool setGpio = true;
    uart_pinmux_config(setGpio);
    // 初始化波特率識別
    autobaud_init();
    // 檢測波特率識別是否已完成，并獲取波特率值
    uint32_t baudrate;
    while (!autobaud_get_rate(&baudrate));
    // 關(guān)閉波特率識別
    autobaud_deinit();
    // 配置UART1引腳
    setGpio = false;
    uart_pinmux_config(setGpio);
    // 初始化UART1外設(shè)
    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)自動波特率識別程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~