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，可以說是工程師入門通訊領(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)既可分開也可同時(shí)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(shí)鐘信號(hào) 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(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：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(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(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)。

//!@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長(zhǎng)，則從頭開始檢測(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;

//!@briefUART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);

}

//!@briefGPIO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)&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(cè)

一切就緒，我們現(xiàn)在來實(shí)測(cè)一下，主函數(shù)流程很簡(jiǎn)單，測(cè)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(shí)鐘配置...

//初始化定時(shí)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(shí)別

autobaud_init();

//檢測(cè)波特率識(shí)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(shí)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(

"Autobaudtestsuccess\r\n"

);

PRINTF(

"Detectedbaudrateis%d\r\n"

,baudrate);

while

(

1

);

}

至此，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)痞子衡便介紹完畢了，