MCU串口不夠，可以用GPIO去模擬?

你是否遇到過某個(gè)MCU串口不夠的情況? 這時(shí)我們可以考慮用GPIO去模擬，如何具體實(shí)現(xiàn)呢?

首選我們需要了解串口的傳輸協(xié)議，

UART使用異步模式工作，不需要時(shí)鐘信號(hào)，其一般格式為： 起始位+數(shù)據(jù)位+校驗(yàn)位+停止位。其中起始位1位，數(shù)據(jù)位5~8位，校驗(yàn)位0或1位，停止位1、1.5或2位。不過最常用的格式是 1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、沒有奇偶校驗(yàn)、1位停止位，簡(jiǎn)記為8/N/1。

8/N/1格式的時(shí)序圖如下：

空閑時(shí)數(shù)據(jù)線上規(guī)定為邏輯1。

開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)先發(fā)送起始位，規(guī)定為邏輯0，接收端會(huì)檢測(cè)這個(gè)下降沿，以便之后開始采樣接收數(shù)據(jù)。

起始位之后是數(shù)據(jù)位，規(guī)定 先發(fā)送最低位，即LSB First。因?yàn)閁ART沒有時(shí)鐘信號(hào)，故使用 波特率來確定每一位的長(zhǎng)度，不過為保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，實(shí)際采樣頻率會(huì)高于波特率，一般每一位會(huì)進(jìn)行若干次采樣，取中間的采樣值作為這一位的結(jié)果。

奇偶校驗(yàn)位一般不使用。

停止位一般使用1位，規(guī)定為邏輯1，除了表示傳輸結(jié)束外，停止位還可以起到時(shí)鐘同步的作用。

需要注意的是，這里的邏輯0并不一定是0V，這與使用的電平標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。 對(duì)于TTL電平而言，邏輯0是0V，邏輯1是高電平(一般為3.3V或5V);對(duì)于RS-232電平而言，邏輯0是3V~15V，邏輯1是-3~-15V。

除了TX、RX、GND信號(hào)外，UART中還會(huì)有諸如RTS、CTS等流控信號(hào)，因?yàn)橛玫貌皇呛芏?，此處就不總結(jié)了。

以發(fā)送0x23(無奇偶校驗(yàn))為例來說明，傳輸時(shí)序如下：

注意是LSB First，也就是最低位先傳輸哦。

掌握清楚這個(gè)時(shí)序那么也就好用GPIO模擬了，除了需要兩個(gè)GPIO，還需要兩個(gè)定時(shí)器(分別用于接收和發(fā)送時(shí)序控制)，另外需要說明的是，為方便起見，采樣頻率這里就設(shè)置成了波特率。

1) 對(duì)于接收，當(dāng)RX引腳檢測(cè)到下降沿時(shí)，進(jìn)入GPIO中斷，然后開啟一個(gè)定時(shí)器，第一次定時(shí)器周期設(shè)置為1/波特率的一半(目的是為了在中心處判斷是否為低電平，以表示是否為起始位)，再之后就可以設(shè)置定時(shí)器周期為1/波特率，每隔此周期在定時(shí)器中斷里去采樣RX引腳電平，將數(shù)據(jù)接收完畢

2)對(duì)于發(fā)送，首先發(fā)送一個(gè)起始位，之后以1/波特率為周期，在定時(shí)器中斷里去發(fā)送比特位即可。

我在NXP的MCU上做了實(shí)現(xiàn)， 經(jīng)過測(cè)試波特率可以達(dá)到38400. 有需要代碼的添加管理員微信獲取(見本文最后二維碼)。

以下是對(duì)程序的簡(jiǎn)單說明：

1)gpio_uart_demo_init 里可以配置UART的相關(guān)參數(shù)，如波特率，奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度

2)void gpio_uart_read(uint8_t *bufptr, uint32_t size, void (*rx_callback)(void)) 這個(gè)函數(shù)為uart 接收函數(shù)，第一個(gè)參數(shù)為數(shù)據(jù)存放buffer，第二個(gè)數(shù)據(jù)為接收長(zhǎng)度，第三個(gè)參數(shù)為callback函數(shù)。注意目前的實(shí)現(xiàn)是調(diào)用此函數(shù)后，當(dāng)接收完指定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)后，會(huì)停止接收數(shù)據(jù)。 如果之后要繼續(xù)接收，需要再次調(diào)用這個(gè)函數(shù)。

3)void gpio_uart_write(uint8_t *databuf, uint32_t num,void (*tx_callback)(void))這個(gè)函數(shù)為uart發(fā)送函數(shù)， 第一個(gè)參數(shù)為發(fā)送數(shù)據(jù)buffer，第二個(gè)數(shù)據(jù)為發(fā)送長(zhǎng)度，第三個(gè)參數(shù)為callback函數(shù)。

4)移植到其他不同平臺(tái)非常容易，只需要修改下GPIO和定時(shí)器配置即可。

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6.沒有串口，你會(huì)如何打印調(diào)試日志? 串口在我們?nèi)粘５拈_發(fā)中不可或缺，但是有的板子的板載資源有限，如stm32f1c8t6只有三個(gè)串口，如果你想要留下一個(gè)串口打印調(diào)試信息的話，你僅僅只剩下了兩個(gè)串口可以用于模塊的驅(qū)動(dòng)，這在很多時(shí)候是明顯不夠用的。下面，我將介紹如何使用普通的GPIO按照串口通信的協(xié)議來模擬一個(gè)硬件串口，可以使用它來驅(qū)動(dòng)模塊。

串口不像其它的一些協(xié)議，有自己的數(shù)據(jù)線(SDA)與時(shí)鐘線(CLK)，通信雙方可以按照時(shí)鐘線上升或下降的不同狀態(tài)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。串口的通信全靠?jī)?nèi)部的一個(gè)波特率發(fā)生器來指揮數(shù)據(jù)的運(yùn)輸。這里可能會(huì)有人有疑問：為什么不在接收方的接收寄存器接收到八位數(shù)據(jù)(寄存器滿)就直接中斷呢，一旦我收到了八位數(shù)據(jù)我直接中斷就好了啊，這樣不就可以不用統(tǒng)一波特率了嗎。試想一種情況：發(fā)送方發(fā)送的速度是接收方的接收速度的八倍(發(fā)送方1秒發(fā)送1個(gè)bit，接受方8秒接收一個(gè)bit并將接收寄存器移動(dòng)一位)。開始通信8秒后，此時(shí)發(fā)送方已經(jīng)將8bit數(shù)據(jù)發(fā)送完了，但是，接收方僅僅只讀出數(shù)據(jù)了1bit數(shù)據(jù)并移入了接收寄存器，但是你會(huì)發(fā)現(xiàn)，也就是說，接收方并不能夠正確接收這段時(shí)間內(nèi)發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)。還有一種情況是接收方的波特率大于發(fā)送方，你們可以按照上面的方法去推導(dǎo)會(huì)發(fā)生什么錯(cuò)誤(速度同樣是八倍的情況下，發(fā)送方僅僅發(fā)送了1bit,接收方接收了8bit，發(fā)送了一個(gè)bit位1,接收會(huì)認(rèn)為是1111 1111 (0xFF))。所以出現(xiàn)0xFF，0x00,或其它亂碼情況，極有可能是波特率(其它協(xié)議可以叫收發(fā)速率)不匹配導(dǎo)致的。