APM32F4xx 系列软件模拟 USART

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引言
在系统使用过程中，可能会遇到系统资源（如串口）不够的情况，此时可以使用 IO 口模拟串口，实现同样的功能。本应用笔记介绍了在 APM32F4xx 系列上通过外部中断和定时器如何实现IO 口模拟串口。

APM32F4xxUSART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。

串口模式

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时钟严格同步，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1USART_CTRL1寄存器的DBLCFG=0，对应1位起始位，8位数据位，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。

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时钟严格同步，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1USART_CTRL1寄存器的DBLCFG=0，对应1位起始位，8位数据位，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。

UART 通信协议概述

异步通信需要收发双方约定波特率，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。
如图 3，图 4 所示，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。

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）

软件模拟串口

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

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 1 bit，数据位 8 bit，不设校验位，停止位 1 bit。
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

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，数据开始传输前，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。

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void Soft_Usart_Init(void)

{

GPIO_Config_T gpioConfig;

EINT_Config_T eintConfig;

RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOB);

RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_SYSCFG);

/* Tx GPIOB PIN9 */

GPIO_ConfigStructInit(&gpioConfig);

gpioConfig.mode = GPIO_MODE_OUT;

gpioConfig.otype = GPIO_OTYPE_PP;

gpioConfig.pin = GPIO_PIN_9; 

gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;

GPIO_Config(GPIOB,&gpioConfig);

GPIO_SetBit(GPIOB,GPIO_PIN_9);

/* Rx GPIOB PIN10 */

GPIO_ConfigStructInit(&gpioConfig);

gpioConfig.mode = GPIO_MODE_IN;

gpioConfig.pin = GPIO_PIN_10;

gpioConfig.pupd = GPIO_PUPD_UP;

gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;

GPIO_Config(GPIOB,&gpioConfig);

SYSCFG_ConfigEINTLine(SYSCFG_PORT_GPIOB,SYSCFG_PIN_10); 

eintConfig.line = EINT_LINE_10;

eintConfig.mode = EINT_MODE_INTERRUPT;

eintConfig.lineCmd = ENABLE;

eintConfig.trigger = EINT_TRIGGER_FALLING;

EINT_Config(&eintConfig);

NVIC_EnableIRQRequest(EINT15_10_IRQn,2,3);

}

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函数可知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。

表格 1 计算公式说明及使用

图 7 RCM 寄存器配置

图 8 APB1PSC 位域说明

图 9 时钟树

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void TMR4_Init(void)

{

TMR_BaseConfig_T TMRBaseConfig;

RCM_EnableAPB1PeriphClock(RCM_APB1_PERIPH_TMR4);

TMRBaseConfig.clockDivision = TMR_CLOCK_DIV_1;

TMRBaseConfig.countMode = TMR_COUNTER_MODE_UP;

TMRBaseConfig.division = 84 - 1;

TMRBaseConfig.period = 104;

TMR_ConfigTimeBase(TMR4,&TMRBaseConfig);

TMR_ClearStatusFlag(TMR4,TMR_FLAG_UPDATE);

TMR_Enable(TMR4);

/* Configure NVIC_IRQRequest */

TMR_EnableInterrupt(TMR4,TMR_INT_UPDATE);

NVIC_EnableIRQRequest(TMR4_IRQn,2,1);

}

只看该作者 · 2024-9-9 15:19

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，延时 104us，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。

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void Soft_Usart_TXData(u8 ch)

{

uint8_t i = 0;

GPIO_ResetBit(GPIOB,GPIO_PIN_9);

Delay_us(BaudRate_9600);

for(i = 0; i < 8; i++)

{

if(ch & 0x01)

{

GPIO_SetBit(GPIOB,GPIO_PIN_9);

}

else

{

GPIO_ResetBit(GPIOB,GPIO_PIN_9);

}

Delay_us(BaudRate_9600);

ch = ch >> 1;

}

GPIO_SetBit(GPIOB,GPIO_PIN_9);

Delay_us(BaudRate_9600);

}

void Soft_Usart_Send(u8 *buf,u8 len)

{

uint8_t t;

for(t = 0;t < len;t++)

{

Soft_Usart_TXData(buf[t]);

Delay_ms(1);

}

}

GPIO 中断服务函数

当接收到低电平并且接收位超过或等于停止位时，此时重置接收状态为起始位，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。

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void EINT15_10_IRQHandler(void)

{

if(EINT_ReadStatusFlag(EINT_LINE_10) != RESET)

{

if(Soft_Usart_RXData() == 0)

{

if(recvState >= COM_STOP_BIT)

{

recvState = COM_START_BIT;

TMR_Enable(TMR4);

flag = 1;

} 

}

EINT_ClearStatusFlag(EINT_LINE_10);

}

}

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，在接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，将接收值存入缓存区。

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void TMR4_IRQHandler(void)

{ 

if(TMR_ReadStatusFlag(TMR4,TMR_FLAG_UPDATE) != RESET)

{

TMR_ClearStatusFlag(TMR4,TMR_FLAG_UPDATE);

recvState++;

if(recvState >= COM_STOP_BIT)

{

TMR_Disable(TMR4);

USART_buf[len++] = recvData;

return;

}

if(Soft_Usart_RXData())

{

recvData |= (1 << (recvState - 1)); 

}

else

{

recvData &= ~(1 << (recvState - 1));

}

}

}

主函数

完成初始化后，持续发送接收到的数据。

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int main(void)

{ 

NVIC_ConfigPriorityGroup(NVIC_PRIORITY_GROUP_2);

Delay_Init();

Soft_Usart_Init();

TMR4_Init(); 

while (1)

{

if(len > 10)

{

len = 0;

Soft_Usart_Send(USART_buf,11);

}

}

}

只看该作者 · 2024-9-9 15:20

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。

图 10 实验现象