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用GPIO口模拟串口通信,它真的来了

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STMCU小助手 发布时间:2021-8-11 14:16
你是否遇到过某个MCU串口不够的情况? 这时我们可以考虑用GPIO去模拟,如何具体实现呢?


首选我们需要了解串口的传输协议,


UART使用异步模式工作,不需要时钟信号,其一般格式为:起始位+数据位+校验位+停止位。其中起始位1位,数据位5~8位,校验位0或1位,停止位1、1.5或2位。不过最常用的格式是1位起始位、8位数据位、没有奇偶校验、1位停止位,简记为8/N/1。


8/N/1格式的时序图如下:
1.png


空闲时数据线上规定为逻辑1。


开始传输数据时先发送起始位,规定为逻辑0,接收端会检测这个下降沿,以便之后开始采样接收数据。


起始位之后是数据位,规定先发送最低位,即LSB First。因为UART没有时钟信号,故使用波特率来确定每一位的长度,不过为保证检测的准确性,实际采样频率会高于波特率,一般每一位会进行若干次采样,取中间的采样值作为这一位的结果。


奇偶校验位一般不使用。


停止位一般使用1位,规定为逻辑1,除了表示传输结束外,停止位还可以起到时钟同步的作用。


需要注意的是,这里的逻辑0并不一定是0V,这与使用的电平标准有关。对于TTL电平而言,逻辑0是0V,逻辑1是高电平(一般为3.3V或5V);对于RS-232电平而言,逻辑0是3V~15V,逻辑1是-3~-15V。


除了TX、RX、GND信号外,UART中还会有诸如RTS、CTS等流控信号,因为用得不是很多,此处就不总结了。


以发送0x23(无奇偶校验)为例来说明,传输时序如下:
2.png


注意是LSB First,也就是最低位先传输哦。


0x23,二进制表示为00100011,传输顺序为1->1->0->0->0->1->0->0


掌握清楚这个时序那么也就好用GPIO模拟了,除了需要两个GPIO,还需要两个定时器(分别用于接收和发送时序控制),另外需要说明的是,为方便起见,采样频率这里就设置成了波特率。


1) 对于接收,当RX引脚检测到下降沿时,进入GPIO中断,然后开启一个定时器,第一次定时器周期设置为1/波特率的一半(目的是为了在中心处判断是否为低电平,以表示是否为起始位),再之后就可以设置定时器周期为1/波特率,每隔此周期在定时器中断里去采样RX引脚电平,将数据接收完毕


2)对于发送,首先发送一个起始位,之后以1/波特率为周期,在定时器中断里去发送比特位即可。


我在NXP的MCU上做了实现,经过测试波特率可以达到38400. 有需要代码的添加管理员微信获取(见本文最后二维码)。


以下是对程序的简单说明:


1)gpio_uart_demo_init() 里可以配置UART的相关参数,如波特率,奇偶校验,数据位长度


2)void gpio_uart_read(uint8_t *bufptr, uint32_t size, void (*rx_callback)(void)) 这个函数为uart 接收函数,第一个参数为数据存放buffer,第二个数据为接收长度,第三个参数为callback函数。注意目前的实现是调用此函数后,当接收完指定长度数据后,会停止接收数据。 如果之后要继续接收,需要再次调用这个函数。


3)void gpio_uart_write(uint8_t *databuf, uint32_t num,void (*tx_callback)(void))这个函数为uart发送函数,第一个参数为发送数据buffer,第二个数据为发送长度,第三个参数为callback函数。


4)移植到其他不同平台非常容易,只需要修改下GPIO和定时器配置即可。

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