模拟串口UART的实现

Posted 2021-01-28 jack-hzm

我所祷告的，就是要你们的爱心，在知识和见识上，多而又多，使你们能分辨是非，做诚实无过的人，直到基督的日子。
——腓立比书【1:9~10】

最近在调的MCU的型号为STM32F030，配置芯片相较之前的MCU都比较简单，功能配置很顺利。但是在写串口程序的时候，发现串口一直不通，使用示波器也没有波形。因为基本的串口通讯线只有Tx和Rx两根线，配置也相对简单，8位数位，1位停止位，9600波特率。协议结构为 起始位(低电平)+8位数据(低位在前)+1位停止位(高电平)，例如发送字节0x55，即电平为低 高低高低高低高低 高。电平转换的间隔时间为1s/9600 = 104us

以上均为理论分析过程，检查代码对串口的配置都没有发现错误。最终排查的结果是硬件工程师画原理图和PCB图时将串口的Tx和Rx画反了！由于某些原因板子已经量产了，故只能通过改软件来实现串口的功能，在网上找了一下发现模拟串口可行性可以，故动手写了一下模拟串口。

串口通讯需要模拟两根线(Tx和Rx)的时序，模拟串口的主要思路如下：

发送部分比较简单，按照 起始位(低电平)+8位数据(低位在前)+1位停止位(高电平)，间隔时间104us，即可。

接收部分有点复杂，需要配置一个外部中断，用于检测低电平信号，还需要一个定时器，用于读取有效数据。

下面将代码附上：

发送IO口初始化

/*!
* @brief 模拟串口1 TX IO口配置
* @param none
* @return none
* @note Tx(PA10)
*/
void MUSART1_TX_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_10);
}

接收IO口初始化

/*!
* @brief 模拟串口1 RX IO口配置
* @param none
* @return none
* @note Rx(PA9)
*/
void MUSART1_RX_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);    //!<外部中断时钟

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA,EXTI_PinSource9);

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line9;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling; //下降沿中断
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd=ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=EXTI4_15_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority=0x01;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
定时器初始化

/*!
* @brief 定时器14初始化
* @param
* @return NONE
* @note 103us定时器,用于串口数据采样
*/
void Time14Init(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimerBaseStruct;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM14, ENABLE);   //!<时钟使能
    TIM_DeInit(TIM14);     //!<Time1定时器重设缺省值
    TIM_TimerBaseStruct.TIM_Period=103;          //!<设置重载寄存器初值 (设置为103，即：定时104us)
    TIM_TimerBaseStruct.TIM_Prescaler=7;      //!<使用内部8M时钟，分频8(7+1)，8M/8 = 1000000，故数1000000(999999+1)下，达1秒
    TIM_TimerBaseStruct.TIM_ClockDivision=0;     //!<不分频
    TIM_TimerBaseStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //!<设置计数器向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM14,&TIM_TimerBaseStruct);

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM14_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority=2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    TIM_ClearITPendingBit(TIM14, TIM_FLAG_Update);
    TIM_ITConfig(TIM14,TIM_IT_Update,ENABLE);     //!<使能TIM1中断源
    TIM_Cmd(TIM14,DISABLE);     //!<禁能TIM1定时器

}
发送数据函数

uint32 delayTime =99; //!<9600，理论值为104但实际测下来99时效果最好
/*!
* @brief 模拟串口1发送一个字节
* @param
* @return none
* @note 数据低位在前高位在后
*/
void MUSART1_SendData(uint8 data)
{
uint8 i = 0;
TX_L(); //!<起始位
delay_us(delayTime);
for(i = 0; i < 8; i++){
if(data & 0x01)
TX_H();
else
TX_L();
delay_us(delayTime);
data >>= 1;
}
TX_H(); //!<停止位
delay_us(delayTime);
}
接收数据，外部中断起始接收

/*!
* @brief 串口接收IO中断处理函数
* @param none
* @return NONE
* @note none
*/
void EXTI4_15_IRQHandler(void)
{
if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line9) != RESET){
if(RX_READ() == 0x00){
if(rx_state >= STATE_STOP){
recvData = 0;
rx_state = STATE_START;
delay_us(50);
TIM_Cmd(TIM14, ENABLE); //!<打开定时器，接收数据
}
}
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line9);
}
}
接收数据，定时器中断接收数据

/*!
* @brief 定时器1中断处理函数
* @param
* @return NONE
* @note
*/
void TIM14_IRQHandler(void)
{
if(TIM_GetITStatus(TIM14, TIM_IT_Update) != RESET){
rx_state++;                         //!<改变状态机
if(rx_state == STATE_STOP){
TIM_Cmd(TIM14, DISABLE);    //!<关闭定时器
usart_getByte();            //!<接收到停止位之后，处理数据recvData
return;                     //!<返回
}
if(RX_READ()){
recvData |= (1 << (rx_state - 1));
}else{
recvData &= ~(1 <<(rx_state - 1));
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM14, TIM_FLAG_Update);
}
}
其他说明
typedef enum{
STATE_START=0,
STATE_BIT0,
STATE_BIT1,
STATE_BIT2,
STATE_BIT3,
STATE_BIT4,
STATE_BIT5,
STATE_BIT6,
STATE_BIT7,
STATE_STOP
}RX_STATE;

RX_STATE rx_state = STATE_STOP;
uint8 recvData=0;    //!<接收的一个字节数据，全局变量
至此，模拟串口的代码及原理均已描述完成。单独的串口通讯并没有问题，但是在实际应用中采取了一种特殊的“总线”形式。

 

本次写的是从机部分的代码，从机接收数据并没有问题，但是在发送数据时，由于所有的从机Tx都挂载在同一根Tx上，并且从机Tx空闲状态时一直是高电平，导致指定从机的起始信号发不出去。故需要再做以下处理，解决以上问题。

当接收到的数据包中的ID为本从机ID时将Tx拉高，否则拉低，这样能够保证当指定ID的从机发送数据时有且只有一个从机再总线上发送数据(其他从机的Tx主动离线)。

好了就记录这么多。