IO口模拟串口的几种”硬核”操作

早期的微控制器（MCU）由于片上外设资源（如UART、I2C、SPI等）较为有限，因而采用了一种被称为“模拟”的操作方式。

今天，我将向大家介绍几种IO口模拟串口的“硬核”操作，相信这些操作将使大家对类似串口这样的电平类通信有着新的认识。

IO模拟串口的需求

“IO模拟UART”是我大一时加入学校创新团队老师提出的第一个项目。当时，由于我对专业知识了解不够，心中充满了疑问：“为什么实验室老师要这么做，明明有现成的串口可用，非要搞模拟串口呢？”接到这个项目时我一头雾水，于是我开始在网上搜索资料。最终，我基本实现了该功能，尽管实现方法较为初级，但它确实为我打开了嵌入式世界的大门。因此，今天我想与大家分享这方面的经验，希望对大家有所帮助。

• 许多人都知道，现在的高性能MCU通常拥有大量的串口外设。例如，像下图所示的STM32F103系列MCU就具有高达5个USART，然而在我们一般的项目中，可能只使用了其中的2个左右。此外，串口外设引脚还可以进行重新映射，这对于那些需要大量串口资源的项目来说可能是一种解决方案。

上图来源于:ST芯片datasheet

• 但是对于一些系统集成类项目，串口作为一种常用的简易通信方式基本上是大部分设备都会预留的外置接口，然而不同的厂家通信接口协议都不太一样，串口的配置信息比如波特率、格式等等都不尽相同，所以这样大量的串口资源的需求就成为了MCU选型的一种评估条件。

• 往往这样的系统集成软件代码设计相对比较简单，基本上是进行数据收发或者转发等等功能，所以也没有必要选择非常高性能的控制器，这样串口的软件实现成为了一种需求。
• 对于一些USART硬件上连接错误，比如原理图引脚弄错，如果飞线非常影响外观，重新制版开发周期拉长，那么模拟串口也是值得考虑的。

IO模拟串口原理

大部分的通信方式都是通过电平传递信号，高电平表示1，低电平表示0，制定通信电平01的时间和空间规则，通信双方就可以根据对应的规则进行解析数据，从而进行信息的传递，下面作者简单把串口通信的物理通信格式跟大家板书一下，以便后面模拟串口进行参考。

通信物理格式

下面作者以8个数据位，1个停止位，无奇偶校验位为例:

 

分析一下：

• 上图就是一帧简单的串口数据帧，总线处于空闲的时候处于高电平，通过一个起始位，作为一帧数据的开始，然后以LSB->MSB的方式依次传输一个8位的数据，最后以1bit的停止位结束，这样就结束了一个byte数据的传输。
• 那么但我们发送N个数据，总线上就会有N个这样的数据帧传输，这样就形成了大家平常所谓的”字节流”，在一个总线上所有的bit所维持的电平时间是固定的，这个时间的由波特率来决定，比如9600bit/s,也就是说其一个电平维持的为(1/9600)s。那个这个参数就也成了模拟串口信号的基础时间约束。
• 值得大家注意的是串口通信的数据帧格式并不是全是(8个数据位，1个停止位，无奇偶校验位）同样的格式，其中数据位个数也有7,8,9个，停止位也有2个的，这个具体根据双方协议格式来进行选择，同时通信还有同步、异步，全双工和半双工等等，大家不太理解可以找时间补补。
• 上面我们了解了串口的电平格式，下面开始进入真正模拟串口的阶段。

4、*IO模拟串口必备妙招*

作者这里会为大家介绍几种办法来模拟串口，每种方案都有自己的特点，大家可以根据实际项目和资源进行选择和开发。

1

纯延时模拟

这种方式就是当年老师出模拟串口题我所采用的办法，可以说该办法仅仅只是为了模拟一个串口出来(俗称 : 为了交作业），从一个电平到下一个电平的过程均采用硬延时，然而这里的延时就是对应着波特率所规定的电平持续时间，传输1位所需要的时间 T = 1/9600 约为104.167us，那么我们只需要按照对应的格式翻转IO口，然后delay延时对应的时间即可完成模拟。

 

参考伪代码：

 1/************************************************
 2 * Fuction ：IO_UartSend
 3 * Descir  :  IO口模拟串口发送
 4 * Author  :  (公众号:最后一个bug) 
 5 ***********************************************/ 
 6void IO_UartSend( sUart *pUart,unsigned char byte)
 7{
 8
 9    unsigned char bitCnt = 8;
10    pUart->SetTxPin(pUart,PIN_LOW);  //发送 Start bit
11    pUart->BaudDelay(pUart);         // 根据baudRate延时 
12    while(bitCnt--)                       //循环发送data bit 
13    {
14        pUart->SetTxPin(pUart,(pUart & 0x01)); //发送 Start bit    
15        byte >>= 1;                            //移位所发数据 
16        pUart->BaudDelay(pUart);               //根据baudRate延时  
17    }
18    pUart->SetTxPin(pUart,PIN_HIGH); //发送stop bit 
19    pUart->BaudDelay(pUart);         //根据baudRate延时 
20}
21
22/************************************************
23 * Fuction ：IO_UartRecv
24 * Descir  :  IO口模拟串口接受 
25 * Author  :  (公众号:最后一个bug) 
26 ***********************************************/ 
27unsigned char IO_UartRecv(sUart *pUart)
28{
29    unsigned char Recv;
30    unsigned char bitCnt = 8;
31
32    while(!pUart->GetRxPin(pUart)) //如果接受到低电平起始位 
33    {
34        pUart->BaudDelay(pUart);         //根据baudRate延时 
35        while(bitCnt--)
36        {
37            Recv >>= 1;
38            if(pUart->GetRxPin(pUart))Recv |= 0x80; //如果接受到电平为1,则置位 
39            pUart->BaudDelay(pUart);         //根据baudRate延时 
40        }
41    }
42    return Recv; //最终返回接受到的数据 
43}

 

分析一下：

• 上面主要是IO口模拟串口的发送和接受，发送相对比较简单，接受部分通过不断的查询对应的接收引脚是否已经拉低成为低电平，如果拉低成为了低电平就认为接受到了start_bit，后面便通过延时进行后面数据的接收。然而其中根据波特率进行的延时一般就直接用指令周期来进行测量延时了。
• 此方法对于简单的模拟串口收发功能基本实现了，不过其只能实现通信的半双工，同时通过不断的查询RX的电平状态比较浪费CPU资源，那么需要进一步改善。

2

外部中断法

查询比较耗费时间和资源，那么自然而然就想到采用中断的方法来进行处理，采用IO口的外部中断功能当RX引脚接受到一个start_bit的时候触发一个下降沿外部中断(记得关外部中断)，然后在外部中断中进行延时获得对应的bit数据，其处理过程与上面的延时法并没有很大的区别，所以这就不过多解释。

以上均存在的不稳定因素 :

其不稳定因素主要来源于传输的电平翻转不是绝对的稳定，同时波特率传输的时间也不一定完全相同，如下图所示:

 

分析一下：

• 如上图所示首次获取电平的位置，都是在下降沿的位置开始进行数据的获取，然后通过波特率所对应的延时来进行下一bit位的获取，从而获得最终的传输数据。
• 大家应该都知道通信线路上是存在物理阻抗的，其对应的通信线路上的电平变化是不可能像上图中的方波那么标准的，其过程均存在一个上升时间和下降时间，同时再加上传输的bit时间间隔并不是严格的一致，所以在电平变化附近进行电平的判断是会存在误判的风险。
• 然而如果我们在首次获取以后延时半个周期,如上图蓝色虚线箭头所示位置进行判断便能够比较可靠的获得通信bit数据了。
• 虽然能够获得稳定的数据，不过采用硬延时在软件设计中终究是一个不太好的实现方案，同时以上通信还无法实现全双工，所以还是有必要再进行优化改善。

3

外部中断+定时器法

其实要解决硬延时最直接的处理办法就是使用定时器来进行处理，大家把发送和接受都放到对应的时间间隔里处理，这里大家比较常用的一种方案就是使用外部中断获得start_bit的位置，然后在外部中断中开启1/2bit定时，比如9600波特率，其一个bit传输需要104.167us，那么一般我们会采用104.167us/2的来设置定时时间进行后续电平的获取，如下图所示:

 

分析一下：

• 然而这样的方案，在仅仅模拟一个串口还是比较方便，不过如果模拟多个串口就需要多个定时器，这样实在是太浪费资源了。
• 那么是否用一个定时器就能搞定呢?很多小伙伴可能会说：我直接开一个bit周期的定时器不断的定时周期到来进行判断不就可以了吗?下面我们简单的看下该办法的效果。

4

单定时器法

首先这里实验一下bit周期定时法,作者编写好相应的代码以后，以20ms的速度发送两个字符55，然后让其回显的实验结果如下:

• 我们发现其存在较高的误码问题，其主要的原因还是跟我们之前所说的影响因素有关，如果定时器中断到来的时间刚好位于串口电平跳变附近，那么极有可能会存在读取IO口电平错误问题。
• 那么所有的问题就归结到如何在电平稳定的时候读取IO口的状态，那么最直接的办法就是提高定时器的中断频率，比如1/3bit周期法等等更高的定时器中断频率，如下图所示1/3bit周期法:

 

分析一下：

• 采用1/3bit周期法，其起始位的下降沿一定在1-2之间，如果我们判断起始位在1位置处，后续数据bit仍然是1位置，还是会出现之前的不稳定因素，所以这里需要调整读取IO的位置。
• 那么采用1/3bit周期法会在判断起始bit下降沿的下一个定时器周期开始读取对应的电平，如果在1位置读取到了第一个低电平，那么后续都会在2位置进行数据读取；如果在2位置才读取到了第一个低电平，后续都会在3位置进行数据读取，这样在2,3位置读取的数据均是处于比较稳定的数据。
• 下面是作者采用1/3bit周期法的结果，该办法也是大家经常选用的。

4

其他方法

对于一些高端的MCU一般会有捕获口，其实捕获口有点类似于中断外部+定时器的方法，不过其原理是通过计算每个相邻边沿跳变中间所包含的bit个数，从而获得最终的数据,如下图所示:

 

分析一下：

• 采用捕获的办法不再是采集电平，通过定时器获得每个跳变之间的时间间隔，然后通过时间间隔/波特率对应的电平持续时间 = 电平个数，从而最终算出最后的数据。
• 该方案是比较稳定的，如果手头的芯片没有对应的Capture功能，大家也可以使用外部中断(注意上升沿和下降沿的处理)+定时器的方法代替捕获功能。

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