用IO口模拟串口（外部中断+定时器）--附程序附测试结果

       给大家分享一下我用IO口模拟串口的一种方法，经测试使用这种方法发送能支持115200波特率，接收9600波特率测试没问题，接收波特率能否提高受制于用户应用场景是否能允许微妙级别的频繁中断了，我实际使用由于MCU主频不高（才32M），处理能力有点差，9600波特率勉强能接受。如果你的MCU主频很高而且使用到的中断也不多，是可以将接受波特率往上提升的。

      下面介绍一下我模拟串口使用的方法，我采用的是外部中断+定时器的组合来实现的，将接收引脚(RXD)配置为外部中断引脚，下降沿触发，配置为外部中断主要作用是用来检测是否有数据发送过来，当有数据过来时，首先接收的是起始位，此时产生中断，然后在中断中使能定时器，这时再失能外部中断，此时外部中断不再参与接收，数据流接收全部交给定时器来处理。定时器分频设置为1Mhz，重载值初始设置为波特率对应时间的一半（例如9600波特率，一比特需要104us，那么定时器重装载值设置为52us），定时器开始工作后，触发第一个更新中断（52us）,此时读取RXD引脚电平，判断是否是起始位，起始位判断完成后立马将定时器的重装载值更改为104us，然后每隔104us对RXD引脚电平进行采样，采样8次，然后检测停止位是否到来，停止位检测完成后，表示一个字节数据接收完成，此时进行空闲检测，检测方法是连续3次采样都是高电平，说明信号线处在空闲状态了，此时可以认为一帧数据接收完毕，可以置位标志位通知主程序进行数据处理了。但是实际测试发现数据长了之后会出现乱码情况，用逻辑分析仪分析发现测试采样点和理论采样点偏离太多了，产生这种现象的原因主要是定时器定时不准有关，为了解决这个问题，就得每隔几个字节用外部中断来做同步，把采样点偏移修正到正常位置，加了同步之后数据长也不会出现乱码情况。

采样这种方法的优点有如下几点：

1.不用在中断服务函数里面进行延时

2.接收逻辑清晰，易移植，易使用

3.接收数据处理可以和硬件串口接收程序兼容

4.具备空闲检测（类似STM32 IDLE中断）

5.可以用于低功耗模式串口唤醒

缺点如下：

1.波特率无法设置太高

2.波特率高时中断过于频繁

3.需要使用两个定时器实现收发

4.空闲标志无法通过中断告知用户，用户需要不断轮询接收完成标志

串口帧结构如下：

115200数据发送测试波形如下：

 从上面的结果看只要微妙延时准确就能正确解析出数据

9600接收波形如下：

 从波形看MCU的采样时刻位于比特位的中间时刻，此时RXD上数据已经保持平稳了，此时采样比较合适。一帧数据的最后三个边沿就是空闲检测用的，连续三个比特间隔没有检测到起始位即认为一帧数据结束了。

使用模拟串口自发自收测试结果如下（9600波特率）：

 从上面测试结果看没有出现丢包现象，仔细查看也没有发现乱码数据出现，测试结果比较满意。

使用模拟串口自发自收测试结果如下（38400波特率）：

 从上面结果看38400波特率下也没有出现丢包，也没发现乱码情况。

使用模拟串口自发自收测试结果如下（115200波特率）：

 在115200波特率下，就会出现乱码了，如果MCU改成F407应该问题也不大，只是中断确实比较频繁，不知有没有什么办法能够解决，我个人觉得解决的办法就是高波特率使用场合避免使用模拟串口转而使用硬件串口，模拟串口仅仅用来应急或者通信速率不高的场合。

参考代码如下（基于STM32L151芯片编写与测试，使用的是LL库）：

/* 模拟串口用到的结构体 */
typedef struct
{
  uint32_t baud_t;    /* 波特率（时间表示） */
  uint32_t samp_t;    /* 采样时间 */
  uint8_t process;    /* 接收处理流程 */
  uint8_t buff[256];  /* 接收缓存 */
  uint8_t len;        /* 接收长度 */
  uint8_t flag;       /* 接收空闲标志 */
}suart_t;


/**
  * 说明 : 微妙定时器（用于模拟串口接收）
  * 参数 : 无
  * 返回 : 无
  */
void Suart_Timer_Init(void)
{
    uint32_t st=Suart.baud_t*0.5f-1;
    LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_TIM6);	
	/** 定时器时基配置 */
	LL_TIM_SetPrescaler(TIM6, 31);

	LL_TIM_SetAutoReload(TIM6, Suart.samp_t-1);	
	LL_TIM_SetCounterMode(TIM6, LL_TIM_COUNTERMODE_UP);
    LL_TIM_SetClockSource(TIM6, LL_TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL);
	LL_TIM_GenerateEvent_UPDATE(TIM6);
	LL_TIM_ClearFlag_UPDATE(TIM6);	
	/** 配置中断 */
    LL_TIM_EnableIT_UPDATE(TIM6);
	
    NVIC_EnableIRQ(TIM6_IRQn); 
	NVIC_SetPriority(TIM6_IRQn, NVIC_EncodePriority(NVIC_GetPriorityGrouping(), 2, 0));	
 
}

/**
  * 说明 : 微妙延时定时器初始化（用于模拟串口数据发送）
  * 参数 : 无
  * 返回 : 无
  */
void Delay_Timer_Init(void)
{
  LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_TIM7);	
	LL_TIM_SetPrescaler(TIM7, 3);
	LL_TIM_SetAutoReload(TIM7, 7);	
	LL_TIM_SetCounterMode(TIM7, LL_TIM_COUNTERMODE_UP);
  LL_TIM_EnableARRPreload(TIM7);
  LL_TIM_SetClockSource(TIM7, LL_TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL);
	LL_TIM_GenerateEvent_UPDATE(TIM7);
	LL_TIM_ClearFlag_UPDATE(TIM7);
  LL_TIM_EnableCounter(TIM7); 

}

/**
  * 说明 : 软件模拟串口初始化
  * 参数 : buad, 波特率（最大9600）
  * 返回 : 无
  */
void Soft_Uart_Init(uint32_t baud)
{
	LL_GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct={0};  
	LL_EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct={0};
  
    LL_AHB1_GRP1_EnableClock(LL_AHB1_GRP1_PERIPH_GPIOA);

    /* 置位 */
    LL_GPIO_SetOutputPin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_12);  
  
    /* UART_RX-> PA12, UART_TX->PA11 */
    GPIO_InitStruct.Pin = LL_GPIO_PIN_11;
    GPIO_InitStruct.Mode = LL_GPIO_MODE_OUTPUT;
    GPIO_InitStruct.Speed = LL_GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    GPIO_InitStruct.OutputType = LL_GPIO_OUTPUT_PUSHPULL;
    GPIO_InitStruct.Pull = LL_GPIO_PULL_NO;
    LL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  
  
    GPIO_InitStruct.Pin = LL_GPIO_PIN_12;
    GPIO_InitStruct.Mode = LL_GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Speed = LL_GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Pull = LL_GPIO_PULL_UP;
    LL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); 
  
	LL_SYSCFG_SetEXTISource(LL_SYSCFG_EXTI_PORTA, LL_SYSCFG_EXTI_LINE12);
	EXTI_InitStruct.Line_0_31 = LL_EXTI_LINE_12;
	EXTI_InitStruct.Mode = LL_EXTI_MODE_IT;
	EXTI_InitStruct.Trigger = LL_EXTI_TRIGGER_FALLING;
	EXTI_InitStruct.LineCommand = ENABLE;
	LL_EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
  
    NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn); 
	NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, NVIC_EncodePriority(NVIC_GetPriorityGrouping(), 1, 0));
  /* 根据波特率设置每个比特延时时间 */
  Suart.baud_t = 1000000/baud;
  Suart.samp_t = Suart.baud_t * 0.5f;
  /* 这个定时器用于接收 */
  Suart_Timer_Init();
  /* 这个定时器用于发送 */
  Delay_Timer_Init();
}

/* GPIO引脚宏定义 */
#define TXD_H()        LL_GPIO_SetOutputPin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_11)
#define TXD_L()        LL_GPIO_ResetOutputPin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_11)
#define READ_RX()      LL_GPIO_IsInputPinSet(GPIOA, LL_GPIO_PIN_12)

/**
  * 说明 : 软件模拟串口1字节数据发送(经测试发送速率最大支持115200)
  * 参数 : data, 数据
  * 返回 : 无
  */
void Suart_Tx_Byte(uint8_t data)
{
  /* 起始位 */
  TXD_L();
  Delay_Us(Suart.baud_t);
  for(uint8_t i=0; i<8; i++)
  {
    if(data & 0x01)
    {
      TXD_H();
    }
    else
    {
      TXD_L();
    }
    data >>= 1;
    Delay_Us(Suart.baud_t);
  }
  /* 停止位 */
  TXD_H();
  Delay_Us(Suart.baud_t);
}

/**
  * 说明 : 软件模拟串口n字节数据发送
  * 参数 : ptr, 数据指针
  *        len, 发送字节数
  * 返回 : 无
  */
void Suart_Tx_Nbyte(uint8_t* ptr, uint16_t len)
{
  while(len--)
  {
    Suart_Tx_Byte(*ptr);
    ptr++;
  }
}



/**
  * 说明 : 定时器2中断服务函数（串口数据接收）
  * 参数 : 无
  * 返回 : 无
  */ 
#if 1
void TIM6_IRQHandler(void)
{
  uint8_t bit=1;
  static uint8_t byte;
  static uint8_t num;
  static uint8_t idle;
  static uint8_t sync_count;
  if(LL_TIM_IsActiveFlag_UPDATE(TIM6) != RESET)
  {
    LL_TIM_ClearFlag_UPDATE(TIM6);
    bit = READ_RX();
    switch(Suart.process)
    {
      case 0:
        /* 起始位检测 */
        if(bit == 0)
        {
          num = 0x01;
          byte = 0;
          idle = 0;
          LL_TIM_SetCounter(TIM6, 0);
          LL_TIM_SetAutoReload(TIM6, Suart.baud_t-1);
          Suart.process = 1;
        }
        else
        {
          /* 串口空闲检测 */
          idle++;
          if(idle > 3)
          {
            idle = 0;
            LL_TIM_SetCounter(TIM6, 0);
            LL_TIM_SetAutoReload(TIM6, Suart.samp_t-1);            
            LL_TIM_DisableCounter(TIM6);
            LL_EXTI_ClearFlag_0_31(LL_EXTI_LINE_12);
            NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);  

            /* 串口空闲了，表示一帧数据接收完成了（这里类似STM32 IDLE中断） */            
            Suart.flag = 1;
          }
        }
        break;
      case 1:
        /* 接收一字节数据 */
        if(bit == 1)
        {
          byte |= num;
        }
        num = num << 1;        
        if(num == 0)
        {
          Suart.process = 0x02;
        }
        break;
      case 2:
        /* 停止位检测 */
        if(bit == 1)
        {
          /* 运行到这表示一个字节接收完成了 */
          Suart.buff[Suart.len++] = byte; 
          sync_count++; 
          /* 每隔几个字节同步一下 */
          if(sync_count == 5)
          {
            sync_count=0;
            LL_TIM_SetCounter(TIM6, 0);
            LL_TIM_SetAutoReload(TIM6, Suart.samp_t-1);            
            LL_EXTI_ClearFlag_0_31(LL_EXTI_LINE_12);
            NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn); 
          }        
          Suart.process = 0x00;
        }
        break;
    }
  }
}
#endif

/**
  * 说明 : 外部中断9-5的中断服务函数
  * 参数 : 无
  * 返回 : 无
  */ 
void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
  if(LL_EXTI_IsActiveFlag_0_31(LL_EXTI_LINE_12) != RESET)
  {
    LL_EXTI_ClearFlag_0_31(LL_EXTI_LINE_12);
    NVIC_DisableIRQ(EXTI15_10_IRQn);
    Suart.process = 0;
    /* 打开定时器，开始解析比特流 */
    LL_TIM_SetCounter(TIM6, 0);
    LL_TIM_EnableCounter(TIM6);
  }
}