UART通信协议(三)GPIO模拟串口

前言：上一篇文章中说到了UART的数据帧格式以及它的几种工作模式，在实际应用场合中，UART协议大多通过集成在MCU模块中的硬件逻辑来实现。为了更好的理解UART,在这里写篇文章用软件模拟串口通信，加深印象。

一、模拟前的准备

1.工作模式的选择

这里选择最常见异步全双工模式，无校验位，即TX和RX分别用于收发数据，可同时进行。因为这种模式相比其他的最具有代表性，也比较容易模拟，毕竟学东西都是由易到难的模式：）

2.数据的格式

这里设定的数据帧格式为1位起始位+8位数据位+1位停止位 = 10位数据位。

3.波特率的选择

这里的波特率选择4800Bd/s，之前说过UART下，码元的状态只有0或1两种，所以此时波特率=比特率，即此时比特率为4800bps。

4.传输时间的计算

按上述所说，1s可以传输4800个bit,所以传输一个Bit的时间是1/4800s = 208us。

5.程序模式的设计

为了便于理解和模拟，这里采用定时器计数轮询的方法，只要含有定时器的可编程芯片都能轻易实现。

6.数据结构的设计

1)状态控制

uint8_t UART_SCON;  //模拟控制寄存器，可控制UART是否有效
#define RIEN (1<<0)
#define TIEN (1<<1)uint8_t UART_ISR; //模拟状态寄存器
#define RI_Bit (1<<0) //标志传送或接收一个字节的过程中
#define TI_Bit (1<<1)
#define RI_Byte (1<<2) //标志传送或接收一个字节完成
#define TI_Byte (1<<3)#define UART_TXD_Port M0P_GPIO->P3OUT  //定义传送或接收引脚
#define UART_RXD_Port M0P_GPIO->P3IN
#define UART_TXD_Pin  1<<5
#define UART_RXD_Pin  1<<6#define UART_BitNum   10  //1bit起始位+8bit数据位+1bit停止位 = 10
#define UART_BitCnt   13 //7 9600 //52 1200 //13 4800

注：上述代码中的UART_BitCnt是传送一个Bit需要多少个计数周期。笔者使用的定时器为16us定时器，4800的波特率，计算方法为1/4800*1000000/16 = 13，表示传送一个Bit需要的13个16us的时间。

2)发送数据

typedef struct{uint8_t BitNum;  //用于计数传送了第几个Bituint8_t BitCnt;  //用于计数每个Bit传送需要时间uint16_t BitSndBuf; //存储要传送的Bit，包括起始位、数据位和停止位uint8_t SBUF;  //要发送的一个字节数据的缓存
}UART_Tran;

3)接收数据

typedef struct{uint8_t BitNum;  //计数接受的Bit数uint8_t BitCnt;  //计数每个Bit的传送时间uint16_t BitRcvBuf;  //接收的一个帧的数据，包括起始位、数据位和停止位uint16_t SBUF; //存储接收数据的缓存uint8_t lastLev;  //存储RX上个周期的状态，发现下降沿开始接收uint8_t sampCnt; //采样时间计数器uint8_t sample;  //计数三次采样期间共出现多少次高电平
}UART_Recv;

二、发送一个字节的数据

发送数据和接收数据相比要简单些，所以我们先来做数据的发送。我们需要写一个函数来处理一个字节数据的发送，之后每发送一个字节只要循环调用即可。

void UART_SIM_SendByte(UART_Tran *T)
{if(UART_ISR&TI_Bit)  //开始传送一个字节的数据{T->BitCnt++;  //16us计数if(T->BitSndBuf&0x01) UART_TXD_Port |= UART_TXD_Pin;  //set 1else UART_TXD_Port &= ~UART_TXD_Pin; //set 0if(T->BitCnt >= UART_BitCnt) //传送一个Bit结束{T->BitCnt = 0;  T->BitNum++; T->BitSndBuf >>= 1; //传送序为低Bit位先传送}if(T->BitNum >= UART_BitNum) {T->BitNum = 0; //传送完一个字节后计数器清0UART_ISR &= ~TI_Bit; //清空传送标志UART_ISR |= TI_Byte; //置传送完成标志}}else UART_TXD_Port |= UART_TXD_Pin;  //无数据传送时，TX为高
}

三、接收一个字节的数据

接收数据和发送数据相比，多了一个重复采样的环节。这里设定是在每个Bi传送期间，进行三次采样，对高电平计数。若高电平次数大于等于2次，则判断为这个Bit是1，否则判断这个Bit是0。

void UART_SIM_RecvByte(UART_Recv *R)
{if(UART_ISR&RI_Bit)  //开始接收一个字节{R->BitCnt++; //16us 计数器R->sampCnt++;  //采样计数器if(R->sampCnt >UART_BitCnt/4) //达到时间进行一次采样{R->sampCnt = 0;if(UART_RXD_Port&UART_RXD_Pin)// 判断是否是高电平R->sample ++; //高电平计数}if(R->BitCnt >= UART_BitCnt)  //接收一个Bit结束  {R->BitCnt = 0;  //清空计数器R->sampCnt = 0;if(R->sample > 1) R->BitRcvBuf |= (1<<R->BitNum); //根据采样结果判断此时是高电平还是低电平R->sample = 0;R->BitNum++; }if(R->BitNum >= UART_BitNum)  //接收一个字节结束{R->BitNum = 0; UART_ISR &= ~RI_Bit; //清接收字节状态R->SBUF = R->BitRcvBuf >> 1; //将接收到的数据部分送到缓存R->BitRcvBuf = 0;UART_ISR |= RI_Byte; //置接收完成状态}}
}

四、监听TX和RX的状态变化

上述两个函数分别对应传送一个字节和接收一个字节，这时应该还需要一个函数来监听RX和对应的状态控制信息，以便于MCU能够进入传送或者接收一个字节的函数处理过程，同时它还应该完成对要传送数据的装载以及要接收数据的存储。下面的DatTran数组和DatRecv数组要发生的数据帧和要接收的数据区域，可自行根据需要进行替换。

void UART_SIM_STAT(UART_Tran *T,UART_Recv *R)
{if(!(UART_ISR&TI_Bit) && UART_SCON&TIEN) UART_ISR |= TI_Bit; //如果使能了UART且未进入传送Bit的状态，则置位开始进入传送状态if(UART_ISR&TI_Byte) //当传送完成一个字节后{UART_ISR &= ~TI_Byte;  //清标志if(SpTran<12)  //假设要传送的数据为12个字节{T->SBUF = DatTran[++SpTran]; //装载传送数据T->BitSndBuf = ((uint16_t)(T->SBUF << 1)) | 0x0200;  // 填充要传送的Bit流，因为只有1个停止位，8个数据位，所以是0x0200}else{UART_SCON &= ~TIEN;  //传送完连续12个字节后，停止发送数据}}if(!(UART_ISR&RI_Bit))  //没有数据接收时{if(!(UART_RXD_Port&UART_RXD_Pin) && R->lastLev) UART_ISR |= RI_Bit; //产生一个下降沿，开始进行数据的接收}R->lastLev = UART_RXD_Port&UART_RXD_Pin; //存储上个计数周期时的引脚状态if(UART_ISR&RI_Byte) //接收完一个字节数据后{UART_ISR &= ~RI_Byte; //清标志if(SpRecv<12) DatRecv[SpRecv++] = R->SBUF; //从缓存中读取数据}
}

总结：上述就是简单使用GPIO模拟串口通信的过程，下面来说说在实验中可能遇到的问题。
1.关于波特率
本次实验中的波特率设置为4800,在实验过程中发现，对于较低的波特率，模拟串口可以较好的实现数据收发，但对于较高的波特率，数据可能出现错误。
2.关于中断定时
本次采用的是16us定时器，如果在程序中其他中断开的较多，那么也很可能对模拟串口产生影响。为了减弱该影响，可以在传送或者接收一个字节的前后分别关和开中断。
3.关于模拟串口引脚串联电阻
笔者在和某个芯片进行通信时，出现数据包丢失，数据紊乱，通信时好时坏的问题，寻找多次无果。最后发现是硬件引脚串联了10K电阻导致电平出现问题，无法正确被接收。最后换成220欧电阻解决问题。

也就是说，如果能用集成的UART模块就尽量用，引脚不够时也可以选择扩展芯片，软件模拟受到的干扰较大，数据传输出错的可能性较高。