APM32F4XX GPIO模拟USART应用

只看该作者 · 2023-9-4 09:26

在系统使用过程中，可能会遇到系统资源不够等情况，此时可以使用IO口模拟串口，实现同样的功能。本应用笔记提供如何在APM32F4xx系列上通过外部中断和定时器完成IO口对串口的模拟。

2 APM32F4xx USART简介

USART（通用同步异步收发器）是一个可以灵活地与外部设备进行全双工、半双工数据交换的串行通信设备，且同时满足外部设备对工业标准 NRZ 异步串行数。据格式的要求。USART 还提供宽范围的波特率选择，且支持多处理器通信。 USART 不仅支持标准的异步收发模式，也支持一些其他的串行数据交换模式，如 LIN 协议、智能卡协议、IrDA SIR ENDEC 规范和硬件流控制模式。USART 还支持使用 DMA 功能，以实现高速数据通信。

2.1 串口分类

串行通讯是指将数据逐位顺序传送的通信方式。串口分为同步串行接口和异步串行接口。

同步模式：一次传输的数据块中包含的数据较多，所以接收时钟与发送进钟严格同步，比异步模式多了一个可以输出同步时钟的信号线 USART_CK。适用于大批量数据需要传输的情况。

下图为USART 同步发送时序图，分别给出极性和相位自由组合成的四种情况，图1为USART_CTRL1寄存器的DBLCFG=0，对应1位起始位，8位数据为，一位停止位的情况，图2USART_CTRL1寄存器的DBLCFG=1，对应1位起始位，9位数据位，1位停止位的情况。其中USART_CK 的时钟极性由 USART_CTRL2 寄存器的 CPOL 位决定：CPOL 为0时，CK 引脚的空闲状态为低电平；CPOL 为1时，CK 引脚的空闲状态为高电平。USART_CK 的相位由 USART_CTRL2 寄存器的 CPHA 位决定：CPHA为0时，表明在第1个时钟边沿进行采样；CPOL 为1时，表明在第2个时钟边沿进行采样。

图1 USART 同步发送时序图（DBLCFG=0）

图 2 USART 同步发送时序图（DBLCFG=1）

异步模式是串行，异步，全双工的通信。通过收发双方约定相同波特率实现同步通信，数据以相同的帧格式进行发送。通常运用在短距离、速率不高的工业实际应用中。本文主要讨论异步串口通信情况。

2.2 UART协议概述

异步通信需要收发双方约定好波特率，确定每位比特位的持续时间，以保证双方的时序同步。其中，波特率是指单位时间内传送的码元的符号个数。

串口的报文格式为：起始位（1bit）+ 数据位（5~8 bits）+ 奇偶校验位（0/1 bit）+停止位（0.5~1.5 bits）。起始位：使用串口时，在发送有效，自动产生1bit的低电平起始位。

数据位：通信时有效数据的长度，通常为5~8位。在进行数据收发前，应先完成相应的配置。

奇偶校验位：增加校验位以检验传输过程中是否因干扰出现数据传输错误的情况。设置为奇校验，确保传输数据逻辑高位的个数为奇数；设置为偶校验，确保传输数据逻辑高位的个数为偶数。

停止位：有效数据发送完毕后，发送设定位数的高电平，表示一帧数据传输结束。

空闲位：在下一个起始位逻辑低位到来之前，数据线一直保持高位状态。空闲位不属于报文内容。

具体情况如下图所示。

图3 串口帧结构图（含空闲位）

图4 串口帧结构图（不含空闲位）

3 软件模拟串口
3.1 硬件设计

本次设计使用APM32F407ZGT6的GPIO PB9,PB10分别模拟串口的发送线TX和接收线RX。借助USB转TTL线，将RX连接开发板的PB9，TX连接PB10，同时将两边地线相连。

图5 硬件连接图

3.2 软件设计

本次设计实现功能为接收串口助手发送的数据后，发送相同数据进行回显。设置波特率为 9600 bps,起始位 1bit，数据位 8 bit，不设校验位，停止位 1bit。

设计思路为：将功能实现分为接收和发送两个部分。

接收功能的实现，需要以精确的延时为前提；从而获得正确的数据。例程使用通用定时器定时104us（t= 1/9600 s = 104us)进入中断，在中断服务函数中按位接收数据。

将接收到的数据存入缓存区，并将其发送到串口助手进行回显。

发送功能实现相对简单：将数据线置 0，模拟起始位；利用滴答定时器进行延时104us：利用for循环按位发送并延时。完成8位数据位传输后，将数据线置 1，模拟停止位。

图6 软件实现流程图

3.2.1 GPIO配置

函数完成了 GPIO PB9,PB10 的初始化配置。

将发送引脚 TX PB9 配置为推挽输出模式，输出速度为 50MHz。串口在空闲时，数据位为高电平状态，因此，完成配置后，需将 PB9 置 1。

将接收引脚 RX PB10配置为上拉输入模式，同时配置外部中断，數据开始传输前，一定会产生一个下降沿。因此将 PB10 中断触发方式设定为下降沿触发。

3.2.2 TMR配置

例程使用 TMR4 通用定时器。根据波特率 9600 bps 可知，每一位数据的持续时间为104.16us。配置一次计数时间为 1us，周期设定为 104 可达到所需定时效果。

TMR4 时钟线为 APB1，如图7，图8和图9 所示，根据用户手册和系统时钟初始化西数可知 APB1 为 AHB1 进行 4 分频后得到，最大频率为 42MHz。TMR 时钟频率为 42*2 =84MHz。

根据计算公式将预分频系数设置为 83，得到计数器驱动时钟为 84/ （83+1）=1MHZ，即计数一次时间为 1/1M s=1 us。一次中断产生的时间间隔为自动重装载值 104*计数一次所需时间 1us =104us。

图7 APB1PSC位域说明

图8 时钟树

3.2.3 GPIO模拟串口发送
根据图3可知，空闲时数据线处于高电平状态，由高电平跳变为低电平表示通信开始，因此在有效数据传输前将 pB9 置 0：发送起始位后，根据设置的波特率，延附 104s，利用for循环开始发送数据位。需要注意的是，串口由最低位开始发送。数据位发送结束，将引脚置 1，模拟停止位。

3.2.4 GPIO中断服务函数
当接收到低电平并且按收位超过或等于停止位时，此时重置按收状态为起始位，使能定时器，开始接收新一帧的数据。若接收状态未达到停止位，表示此时的下降沿由有效数据产生，并不表示新数据的到来，可直接跳出中断。

3.2.5 TMR中断服务函数
开启定时器后，每隔104us 触发中断。进入中断服务函数，完成数据的按位接收。由于串口发送数据时，由最低位开始发送，在按收一位数据后需通过移位，将其放置在正确的位置，保证接收数据的准确性。当读取到停止位时，将按收值存入缓存区。

3.2.6主函数
完成初始化后，持续发送接收到的数据。

3.3实验现象
打开串口调试助手，设置波特率，起始位，数据位和停止位后，发送字符，成功回显。