痞子衡嵌入式：嵌入式裡串列埠(UART)自動波特率識別程式設計與實現

痞子衡發表於2021-06-12
串列埠程式設計

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是嵌入式裡串列埠(UART)自動波特率識別程式設計與實現。

　　串列埠(UART)是嵌入式裡最基礎最常用也最簡單的一種通訊（資料傳輸）方式，可以說是工程師入門通訊領域的啟蒙老師，同時串列埠列印也是嵌入式專案裡非常經典的除錯與互動方式。

　　最精簡的串列埠僅使用兩根單向訊號線：TXD、RXD，這兩根訊號線是獨立工作的，因此資料收發既可分開也可同時進行，這就是所謂的全雙工。串列埠沒有主從機概念，並且沒有專門的時鐘訊號 SCK，所以串列埠通訊也屬於非同步傳輸。

　　說到非同步傳輸，這就不得不提波特率（每秒鐘傳輸bit數）的問題了，通訊雙方必須使用一致的波特率才能完成正確的資料傳輸。正常情況下，我們都是為兩個串列埠裝置事先約定好波特率，比如 MCU 與上位機通訊，在 MCU 程式裡按 115200 的波特率去初始化 UART 外設，然後上位機串列埠除錯助手也設定 115200 波特率，雙方再聯合工作。

　　有時候，我們也希望能有一種靈活的波特率約定方式，比如建立通訊前，在上位機串列埠除錯助手裡隨意設定一種波特率，然後按這個波特率傳送資料，MCU 端能自動識別出這個波特率，並用識別出來的波特率去初始化 UART 外設，然後再進行後續資料傳輸，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 裡實現自動波特率識別的程式設計：

一、串列埠(UART)自動波特率識別程式設計

1.1 函式介面定義

　　首先是設計自動波特率識別程式標頭檔案：autobaud.h ，這個標頭檔案裡直接定義如下 3 個介面函式原型。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，並獲取波特率值
bool autobaud_get_rate(uint32_t *rate);

//! @brief 關閉波特率識別
void autobaud_deinit(void);

1.2 識別設計思想

　　關於識別，因為上位機資料是從 RXD 引腳過來的，所以在 MCU 裡需要先將 RXD 引腳配置成普通數字輸入 GPIO（這個引腳需要上拉，預設保持高電平），然後檢測這個 GPIO 的電平跳變（一般用下降沿）並計時。

　　下圖是典型的 UART 單位元組傳輸時序，I/O 空閒狀態是高電平，傳輸時總是由 1bit 低電平起始位開啟，然後是從 LSB 到 MSB 的 8bit 資料位，校驗位是可選項（我們暫不開啟），最後由 1bit 高電平停止位結束，I/O 迴歸高電平空閒狀態。

  • Note 1：檢測下降沿跳變，是因為 I/O 空閒為高，起始位的存在保證了每 Byte 傳輸週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，通訊雙方波特率在 3% 的誤差內資料傳輸均可以正常進行。

　　雖然我們不需要約定上位機波特率，但是要想實現波特率自動識別，上位機初始傳輸的資料卻必須要事先約定好（可理解為接頭暗號），這涉及到 MCU 裡檢測電平跳變次數與相應計時計算。

　　痞子衡設計的接頭暗號是 0x5A, 0xA6 兩個位元組，兩位元組暗號相比單位元組暗號容錯性更好一些（以防 I/O 上有干擾，導致誤識別），根據指定的暗號和 UART 傳輸時序圖，我們很容易得到如下常量定義：

enum _autobaud_counts
{
    //! 0x5A 位元組對應的下降沿個數
    kFirstByteRequiredFallingEdges = 4,
    //! 0xA6 位元組對應的下降沿個數
    kSecondByteRequiredFallingEdges = 3,
    //! 0x5A 位元組（從起始位到停止位）第一個下降沿到最後一個下降沿之間的實際bit數
    kNumberOfBitsForFirstByteMeasured = 8,
    //! 0xA6 位元組（從起始位到停止位）第一個下降沿到最後一個下降沿之間的實際bit數
    kNumberOfBitsForSecondByteMeasured = 7,
    //! 兩個下降沿之間允許的最大超時(us)
    kMaximumTimeBetweenFallingEdges = 80000,
    //! 對實際檢測出的波特率值做對齊處理，以便於更好地配置UART模組
    kAutobaudStepSize = 1200
};

　　上述常量定義裡，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，自動波特率程式將丟掉前面統計的下降沿個數，重頭開始識別，這個設計也是為了防止 I/O 上有電平干擾，導致誤識別。

　　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 是實際檢測出的波特率值，rounded 是對齊後的波特率值，用對齊後的波特率值能更好地配置UART外設（這跟UART模組裡波特率發生器SBR設計有關）。

　　最後就是 I/O 電平下降沿檢測方法設計，這裡既可以用軟體查詢（就是迴圈讀取 I/O 輸入電平，比較當前值與上一次值的差異），也可以使用GPIO模組自帶的邊沿中斷功能。推薦使用後者，一方面計時更精確，另外也不用阻塞系統。檢測到下降沿發生就呼叫一次如下 pin_transition_callback() 函式，在這個函式裡統計跳變次數以及計時。

//! @brief 管腳下降沿跳變回撥函式
static void pin_transition_callback(void);

1.3 主程式碼實現

　　根據上一小節描述的設計思想，我們很容易寫出下面的主程式碼（autobaud_irq.c），程式碼裡痞子衡都做了詳細註釋。有一點要提的是關於其中系統計時，可參考痞子衡舊文 《嵌入式裡通用微秒(microseconds)計時函式框架設計與實現》 。

//! @brief 使能GPIO管腳中斷
extern void enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t func);
//! @brief 關閉GPIO管腳中斷
extern void disable_autobaud_pin_irq(void);

//!< 已檢測到的下降沿個數
static uint32_t s_transitionCount;
//!< 0x5A 位元組檢測期間內對應計數值
static uint64_t s_firstByteTotalTicks;
//!< 0xA6 位元組檢測期間內對應計數值
static uint64_t s_secondByteTotalTicks;
//!< 上一次下降沿發生時系統計數值
static uint64_t s_lastToggleTicks;
//!< 下降沿之間最大超時對應計數值
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計數值
    s_ticksBetweenFailure = microseconds_convert_to_ticks(kMaximumTimeBetweenFallingEdges);
    // 使能GPIO管腳中斷，並註冊中斷處理回撥函式
    enable_autobaud_pin_irq(pin_transition_callback);
}

void autobaud_deinit(void)
{
    // 關閉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)
{
    // 獲取當前系統計數值
    uint64_t ticks = microseconds_get_ticks();
    // 計數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 位元組檢測時間起點
            s_firstByteTotalTicks = ticks;
            break;

        case kFirstByteRequiredFallingEdges:
            // 得到 0x5A 位元組檢測期間內對應計數值
            s_firstByteTotalTicks = ticks - s_firstByteTotalTicks;
            break;

        case (kFirstByteRequiredFallingEdges + 1):
            // 0xA6 位元組檢測時間起點
            s_secondByteTotalTicks = ticks;
            break;

        case (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges):
            // 得到 0xA6 位元組檢測期間內對應計數值
            s_secondByteTotalTicks = ticks - s_secondByteTotalTicks;
            // 關閉GPIO管腳中斷
            disable_autobaud_pin_irq();
            break;
    }

    // 記錄本次下降沿發生時系統計數值
    s_lastToggleTicks = ticks;
}

二、串列埠(UART)自動波特率識別程式實現

　　前面講的都是硬體無關設計，但最終還是要落實到具體 MCU 平臺上的，其中 GPIO 中斷部分是跟 MCU 緊相關的。我們以恩智浦 i.MXRT1011 為例來介紹硬體實現。

2.1 管腳中斷方式實現（基於i.MXRT1011）

　　恩智浦 MIMXRT1010-EVK 有板載偵錯程式 DAPLink，這個 DAPLink 中也整合了 USB 轉串列埠的功能，對應的 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，實現程式碼如下：

typedef void (*pin_irq_callback_t)(void);
static pin_irq_callback_t s_pin_irq_func;

//! @brief UART引腳功能切換函式
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中斷處理函式
void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void)
{
    uint32_t interrupt_flag = (1U << 9);
    // 僅當GPIO1_9中斷髮生時
    if ((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func)
    {
        //執行一次回撥函式
        s_pin_irq_func();
        GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag);
    }
}

2.2 在MIMXRT1010-EVK上實測

　　一切就緒，我們現在來實測一下，主函式流程很簡單，測試結果也表明達到了預期效果，每次將 MCU 程式復位執行後，串列埠除錯助手裡可任意設定波特率。

int main(void)
{
    // 略去系統時鐘配置...
    // 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，並獲取波特率值
    uint32_t baudrate;
    while (!autobaud_get_rate(&baudrate));
    // 關閉波特率識別
    autobaud_deinit();
    // 配置UART1引腳
    setGpio = false;
    uart_pinmux_config(setGpio);
    // 初始化UART1外設
    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，嵌入式裡串列埠(UART)自動波特率識別程式設計與實現痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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