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(輪詢)

痞子衡發表於2021-06-14
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。

　　本篇是 《串列埠(UART)自動波特率識別程式設計與實現（中斷）》 的續集，上一篇我們利用 GPIO 模組自帶的下降沿中斷功能實現了 RXD 電平跳變捕捉與計時，今天我們再試試古老的輪詢 RXD 管腳電平的方法去實現同樣的功能。

　　輪詢法最大的缺點是會阻塞系統（不考慮 RTOS 排程），但是它也有中斷法所沒有的特點（或者說不太方便做到的），在做輪詢時，我們可以採取一些經典的管腳電平軟體消抖措施，從而降低誤識別率。

一、串列埠(UART)自動波特率識別程式設計

1.1 函式介面定義

　　輪詢法與中斷法函式介面保持一致，詳見 《串列埠(UART)自動波特率識別程式設計與實現（中斷）》 1.1 小節，兩者共享標頭檔案：autobaud.h，這樣方便專案設計時自由切換自動波特率識別方法。

1.2 識別設計思想

　　關於識別的思路，輪詢法與中斷法也是一致的，詳見 《串列埠(UART)自動波特率識別程式設計與實現（中斷）》 1.2 小節，但是輪詢法裡多了手動檢測 RXD 引腳電平下降沿跳變的過程。

　　引腳電平跳變檢測其實也很簡單，就是不斷讀取引腳輸入電平值，並比較相鄰兩次輸入電平值，如果發現不一致，則是跳變發生之時。如果前一次電平值是高，那麼此時便是下降沿。

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_poll_v2.1.c），程式碼裡痞子衡都做了詳細註釋。相比中斷法原始碼，我們其實只需要修改 autobaud_get_rate() 函式實現如下：

//! @brief 讀取GPIO管腳輸入電平
extern uint32_t read_autobaud_pin(void);

bool autobaud_get_rate(uint32_t *rate)
{
    // 僅當電平為低（非空閒態）時才開始識別
    uint32_t currentEdge = read_autobaud_pin();
    if (currentEdge != 1)
    {
        pin_transition_callback();
        uint32_t previousEdge = currentEdge;
        while (s_transitionCount < kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges)
        {
            // 檢查是否有電平翻轉
            currentEdge = read_autobaud_pin();
            if (currentEdge != previousEdge)
            {
                // 僅當電平翻轉是下降沿時
                if (previousEdge == 1)
                {
                    pin_transition_callback();
                }
                previousEdge = currentEdge;
            }
        }

        // 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;
    }
}

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 讀取部分是跟 MCU 緊相關的。我們以恩智浦 i.MXRT1011 為例來介紹硬體實現。

2.1 軟體消抖實現

　　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，引腳電平讀取函式程式碼如下：

#define AUTOBAUD_PIN_DEBOUNCE_READ_COUNT (20U)

uint32_t read_autobaud_pin(void)
{
    // 多次讀取管腳輸入電平值
    uint32_t readCount = 0;
    for (uint32_t i = 0; i < AUTOBAUD_PIN_DEBOUNCE_READ_COUNT; i++)
    {
        readCount += GPIO_PinRead(GPIO1, 9);
    }

    // 如某電平值出現機率超過半數，則認定為有效電平
    return (readCount < (AUTOBAUD_PIN_DEBOUNCE_READ_COUNT / 2)) ? 0 : 1;
}

　　關於 I/O 軟體消抖，一般有兩種實現：一、是兩次 I/O 讀取之間加一定延時(us級別)，如兩次值一樣，則認定有效，否則重複此過程；二、是多次讀取 I/O 值，取其中出現機率超過一半的那個電平值。前者主要適用按鍵的場景，後者更適用本文輪詢法自動波特率識別場景。

2.2 在MIMXRT1010-EVK上實測

　　最後就是在板子上實測，因為在設計上輪詢法與中斷法介面是一致的，因此測試主函式程式碼完全不用修改，詳見 《串列埠(UART)自動波特率識別程式設計與實現（中斷）》 2.2 小節。測試結果同樣達到了預期效果。

　　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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