幾種IO口模擬UART的方案

1、聊一聊

好了，今天為大家?guī)韼追NIO口模擬串口"硬核"操作，相信大家對(duì)類似于串口這樣的電平類通信會(huì)有新的認(rèn)識(shí)。

2、IO模擬串口需求

"IO模擬UART"是作者大一加入學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)老師出的第一道題目。畢竟當(dāng)時(shí)專業(yè)知識(shí)不夠，心里想：“實(shí)驗(yàn)室老師怎么這么變tai，有現(xiàn)成的串口不用，非得整個(gè)模擬串口”，接到這個(gè)題目一頭霧水，于是上網(wǎng)各種找資料，最后基本實(shí)現(xiàn)了該功能,實(shí)現(xiàn)辦法算是最初級(jí)的實(shí)現(xiàn)方式，不過確實(shí)給我開啟了嵌入式的大門，所以今天也把這方面的東西分享給大家，希望對(duì)大家有幫助。

IO模擬串口需求

很多小伙伴應(yīng)該都了解到現(xiàn)在很多的高性能的MCU都有大量的串口外設(shè)，比如下圖的stm32F103系列USART高達(dá)5個(gè)，然而在我們一般的項(xiàng)目中可能僅僅就使用了2個(gè)左右的樣子，并且串口外設(shè)引腳還可以remap重新映射，這對(duì)于那些對(duì)串口資源需求量比較大的項(xiàng)目，或許帶來了一些緩解的福音。

上圖來源于:ST芯片datasheet

但是對(duì)于一些系統(tǒng)集成類項(xiàng)目，串口作為一種常用的簡易通信方式基本上是大部分設(shè)備都會(huì)預(yù)留的外置接口，然而不同的廠家通信接口協(xié)議都不太一樣，串口的配置信息比如波特率、格式等等都不盡相同，所以這樣大量的串口資源的需求就成為了MCU選型的一種評(píng)估條件。

往往這樣的系統(tǒng)集成軟件代碼設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡單，基本上是進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)或者轉(zhuǎn)發(fā)等等功能，所以也沒有必要選擇非常高性能的控制器，這樣串口的軟件實(shí)現(xiàn)成為了一種需求。

對(duì)于一些USART硬件上連接錯(cuò)誤，比如原理圖引腳弄錯(cuò)，如果飛線非常影響外觀，重新制版開發(fā)周期拉長，那么模擬串口也是值得考慮的。

3、IO模擬串口原理

大部分的通信方式都是通過電平傳遞信號(hào)，高電平表示1，低電平表示0，制定通信電平01的時(shí)間和空間規(guī)則，通信雙方就可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行解析數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行信息的傳遞，下面作者簡單把串口通信的物理通信格式跟大家板書一下，以便后面模擬串口進(jìn)行參考。

通信物理格式

下面作者以8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位為例:

分析一下：

上圖就是一幀簡單的串口數(shù)據(jù)幀，總線處于空閑的時(shí)候處于高電平，通過一個(gè)起始位，作為一幀數(shù)據(jù)的開始，然后以LSB->MSB的方式依次傳輸一個(gè)8位的數(shù)據(jù)，最后以1bit的停止位結(jié)束，這樣就結(jié)束了一個(gè)byte數(shù)據(jù)的傳輸。

那么但我們發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)，總線上就會(huì)有N個(gè)這樣的數(shù)據(jù)幀傳輸，這樣就形成了大家平常所謂的"字節(jié)流"，在一個(gè)總線上所有的bit所維持的電平時(shí)間是固定的，這個(gè)時(shí)間的由波特率來決定，比如9600bit/s,也就是說其一個(gè)電平維持的為(1/9600)s。那個(gè)這個(gè)參數(shù)就也成了模擬串口信號(hào)的基礎(chǔ)時(shí)間約束。

值得大家注意的是串口通信的數(shù)據(jù)幀格式并不是全是(8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位）同樣的格式，其中數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)也有7,8,9個(gè)，停止位也有2個(gè)的，這個(gè)具體根據(jù)雙方協(xié)議格式來進(jìn)行選擇，同時(shí)通信還有同步、異步，全雙工和半雙工等等，大家不太理解可以找時(shí)間補(bǔ)補(bǔ)。

上面我們了解了串口的電平格式，下面開始進(jìn)入真正模擬串口的階段。

4、IO模擬串口必備妙招

作者這里會(huì)為大家介紹幾種辦法來模擬串口，每種方案都有自己的特點(diǎn)，大家可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目和資源進(jìn)行選擇和開發(fā)。

1

純延時(shí)模擬

這種方式就是當(dāng)年老師出模擬串口題我所采用的辦法，可以說該辦法僅僅只是為了模擬一個(gè)串口出來(俗稱 : 為了交作業(yè)），從一個(gè)電平到下一個(gè)電平的過程均采用硬延時(shí)，然而這里的延時(shí)就是對(duì)應(yīng)著波特率所規(guī)定的電平持續(xù)時(shí)間，傳輸1位所需要的時(shí)間 T = 1/9600 約為104.167us，那么我們只需要按照對(duì)應(yīng)的格式翻轉(zhuǎn)IO口，然后delay延時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即可完成模擬。

參考偽代碼：

 1/************************************************
 2* Fuction ：IO_UartSend
 3*Descir:IO口模擬串口發(fā)送
 4*Author:(公眾號(hào):最后一個(gè)bug)
 5***********************************************/
 6voidIO_UartSend(sUart*pUart,unsignedcharbyte)
 7{
 8
 9unsignedcharbitCnt=8;
10pUart->SetTxPin(pUart,PIN_LOW);//發(fā)送Startbit
11pUart->BaudDelay(pUart);//根據(jù)baudRate延時(shí)
12while(bitCnt--)//循環(huán)發(fā)送databit
13{
14pUart->SetTxPin(pUart,(pUart&0x01));//發(fā)送Startbit
15byte>>=1;//移位所發(fā)數(shù)據(jù)
16pUart->BaudDelay(pUart);//根據(jù)baudRate延時(shí)
17}
18pUart->SetTxPin(pUart,PIN_HIGH);//發(fā)送stopbit
19pUart->BaudDelay(pUart);//根據(jù)baudRate延時(shí)
20}
21
22/************************************************
23* Fuction ：IO_UartRecv
24*Descir:IO口模擬串口接受
25*Author:(公眾號(hào):最后一個(gè)bug)
26***********************************************/
27unsignedcharIO_UartRecv(sUart*pUart)
28{
29unsignedcharRecv;
30unsignedcharbitCnt=8;
31
32while(!pUart->GetRxPin(pUart))//如果接受到低電平起始位
33{
34pUart->BaudDelay(pUart);//根據(jù)baudRate延時(shí)
35while(bitCnt--)
36{
37Recv>>=1;
38if(pUart->GetRxPin(pUart))Recv|=0x80;//如果接受到電平為1,則置位
39pUart->BaudDelay(pUart);//根據(jù)baudRate延時(shí)
40}
41}
42returnRecv;//最終返回接受到的數(shù)據(jù)
43}

分析一下：

上面主要是IO口模擬串口的發(fā)送和接受，發(fā)送相對(duì)比較簡單，接受部分通過不斷的查詢對(duì)應(yīng)的接收引腳是否已經(jīng)拉低成為低電平，如果拉低成為了低電平就認(rèn)為接受到了start_bit，后面便通過延時(shí)進(jìn)行后面數(shù)據(jù)的接收。然而其中根據(jù)波特率進(jìn)行的延時(shí)一般就直接用指令周期來進(jìn)行測量延時(shí)了。

此方法對(duì)于簡單的模擬串口收發(fā)功能基本實(shí)現(xiàn)了，不過其只能實(shí)現(xiàn)通信的半雙工，同時(shí)通過不斷的查詢RX的電平狀態(tài)比較浪費(fèi)CPU資源，那么需要進(jìn)一步改善。

2

外部中斷法

查詢比較耗費(fèi)時(shí)間和資源，那么自然而然就想到采用中斷的方法來進(jìn)行處理，采用IO口的外部中斷功能當(dāng)RX引腳接受到一個(gè)start_bit的時(shí)候觸發(fā)一個(gè)下降沿外部中斷(記得關(guān)外部中斷)，然后在外部中斷中進(jìn)行延時(shí)獲得對(duì)應(yīng)的bit數(shù)據(jù)，其處理過程與上面的延時(shí)法并沒有很大的區(qū)別，所以這就不過多解釋。

以上均存在的不穩(wěn)定因素 :

其不穩(wěn)定因素主要來源于傳輸?shù)碾娖椒D(zhuǎn)不是絕對(duì)的穩(wěn)定，同時(shí)波特率傳輸?shù)臅r(shí)間也不一定完全相同，如下圖所示:

分析一下：

如上圖所示首次獲取電平的位置，都是在下降沿的位置開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，然后通過波特率所對(duì)應(yīng)的延時(shí)來進(jìn)行下一bit位的獲取，從而獲得最終的傳輸數(shù)據(jù)。

大家應(yīng)該都知道通信線路上是存在物理阻抗的，其對(duì)應(yīng)的通信線路上的電平變化是不可能像上圖中的方波那么標(biāo)準(zhǔn)的，其過程均存在一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間，同時(shí)再加上傳輸?shù)腷it時(shí)間間隔并不是嚴(yán)格的一致，所以在電平變化附近進(jìn)行電平的判斷是會(huì)存在誤判的風(fēng)險(xiǎn)。

然而如果我們?cè)谑状潍@取以后延時(shí)半個(gè)周期,如上圖藍(lán)色虛線箭頭所示位置進(jìn)行判斷便能夠比較可靠的獲得通信bit數(shù)據(jù)了。

雖然能夠獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，不過采用硬延時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中終究是一個(gè)不太好的實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)以上通信還無法實(shí)現(xiàn)全雙工，所以還是有必要再進(jìn)行優(yōu)化改善。

3

外部中斷+定時(shí)器法

其實(shí)要解決硬延時(shí)最直接的處理辦法就是使用定時(shí)器來進(jìn)行處理，大家把發(fā)送和接受都放到對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔里處理，這里大家比較常用的一種方案就是使用外部中斷獲得start_bit的位置，然后在外部中斷中開啟1/2bit定時(shí)，比如9600波特率，其一個(gè)bit傳輸需要104.167us，那么一般我們會(huì)采用104.167us/2的來設(shè)置定時(shí)時(shí)間進(jìn)行后續(xù)電平的獲取，如下圖所示:

分析一下：

然而這樣的方案，在僅僅模擬一個(gè)串口還是比較方便，不過如果模擬多個(gè)串口就需要多個(gè)定時(shí)器，這樣實(shí)在是太浪費(fèi)資源了。

那么是否用一個(gè)定時(shí)器就能搞定呢?很多小伙伴可能會(huì)說：我直接開一個(gè)bit周期的定時(shí)器不斷的定時(shí)周期到來進(jìn)行判斷不就可以了嗎?下面我們簡單的看下該辦法的效果。

4

單定時(shí)器法

首先這里實(shí)驗(yàn)一下bit周期定時(shí)法,作者編寫好相應(yīng)的代碼以后，以20ms的速度發(fā)送兩個(gè)字符55，然后讓其回顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

我們發(fā)現(xiàn)其存在較高的誤碼問題，其主要的原因還是跟我們之前所說的影響因素有關(guān)，如果定時(shí)器中斷到來的時(shí)間剛好位于串口電平跳變附近，那么極有可能會(huì)存在讀取IO口電平錯(cuò)誤問題。

那么所有的問題就歸結(jié)到如何在電平穩(wěn)定的時(shí)候讀取IO口的狀態(tài)，那么最直接的辦法就是提高定時(shí)器的中斷頻率，比如1/3bit周期法等等更高的定時(shí)器中斷頻率，如下圖所示1/3bit周期法:

分析一下：

采用1/3bit周期法，其起始位的下降沿一定在1-2之間，如果我們判斷起始位在1位置處，后續(xù)數(shù)據(jù)bit仍然是1位置，還是會(huì)出現(xiàn)之前的不穩(wěn)定因素，所以這里需要調(diào)整讀取IO的位置。

那么采用1/3bit周期法會(huì)在判斷起始bit下降沿的下一個(gè)定時(shí)器周期開始讀取對(duì)應(yīng)的電平，如果在1位置讀取到了第一個(gè)低電平，那么后續(xù)都會(huì)在2位置進(jìn)行數(shù)據(jù)讀??；如果在2位置才讀取到了第一個(gè)低電平，后續(xù)都會(huì)在3位置進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，這樣在2,3位置讀取的數(shù)據(jù)均是處于比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

下面是作者采用1/3bit周期法的結(jié)果，該辦法也是大家經(jīng)常選用的。

4

其他方法

對(duì)于一些高端的MCU一般會(huì)有捕獲口，其實(shí)捕獲口有點(diǎn)類似于中斷外部+定時(shí)器的方法，不過其原理是通過計(jì)算每個(gè)相鄰邊沿跳變中間所包含的bit個(gè)數(shù)，從而獲得最終的數(shù)據(jù),如下圖所示:

分析一下：

采用捕獲的辦法不再是采集電平，通過定時(shí)器獲得每個(gè)跳變之間的時(shí)間間隔，然后通過時(shí)間間隔/波特率對(duì)應(yīng)的電平持續(xù)時(shí)間 = 電平個(gè)數(shù)，從而最終算出最后的數(shù)據(jù)。

該方案是比較穩(wěn)定的，如果手頭的芯片沒有對(duì)應(yīng)的Capture功能，大家也可以使用外部中斷(注意上升沿和下降沿的處理)+定時(shí)器的方法代替捕獲功能。

5、最后小結(jié)

今天就為大家介紹了幾種IO口模擬UART的方案，對(duì)于IIC，SPI等等都是可以通過IO口進(jìn)行模擬的，所以大家在以后考慮方案成本的時(shí)候可以往軟件上模擬這塊進(jìn)行考慮。