大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是嵌入式裡序列槽(UART)自動波特率識别程式設計與實作。
序列槽(UART)是嵌入式裡最基礎最常用也最簡單的一種通訊（資料傳輸）方式，可以說是工程師入門通訊領域的啟蒙老師，同時序列槽列印也是嵌入式項目裡非常經典的調試與互動方式。
最精簡的序列槽僅使用兩根單向信号線：TXD、RXD，這兩根信号線是獨立工作的，是以資料收發既可分開也可同時進行，這就是所謂的全雙工。序列槽沒有主從機概念，并且沒有專門的時鐘信号 SCK，是以序列槽通信也屬于異步傳輸。
說到異步傳輸，這就不得不提波特率（每秒鐘傳輸bit數）的問題了，通信雙方必須使用一緻的波特率才能完成正确的資料傳輸。正常情況下，我們都是為兩個序列槽裝置事先約定好波特率，比如 MCU 與上位機通信，在 MCU 程式裡按 115200 的波特率去初始化 UART 外設，然後上位機序列槽調試助手也設定 115200 波特率，雙方再聯合工作。
有時候，我們也希望能有一種靈活的波特率約定方式，比如建立通信前，在上位機序列槽調試助手裡随意設定一種波特率，然後按這個波特率發送資料，MCU 端能自動識别出這個波特率，并用識别出來的波特率去初始化 UART 外設，然後再進行後續資料傳輸，這種方式就叫自動波特率識别。痞子衡今天要分享的就是在 MCU 裡實作自動波特率識别的程式設計：
- 程式首頁： https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/components/autobaud
一、序列槽(UART)自動波特率識别程式設計
1.1 函數接口定義
首先是設計自動波特率識别程式頭檔案：autobaud.h ，這個頭檔案裡直接定義如下 3 個接口函數原型。涵蓋必備的初始化流程 init()、deinit()，以及最核心的波特率識别功能 get_rate()。
//! @brief 初始化波特率識别 void autobaud_init(void); //! @brief 檢測波特率識别是否已完成，并擷取波特率值 bool autobaud_get_rate(uint32_t *rate); //! @brief 關閉波特率識别 void autobaud_deinit(void); 1.2 識别設計思想
關于識别，因為上位機資料是從 RXD 引腳過來的，是以在 MCU 裡需要先将 RXD 引腳配置成普通數字輸入 GPIO（這個引腳需要上拉，預設保持高電平），然後檢測這個 GPIO 的電平跳變（一般用下降沿）并計時。
下圖是典型的 UART 單位元組傳輸時序，I/O 空閑狀态是高電平，傳輸時總是由 1bit 低電平起始位開啟，然後是從 LSB 到 MSB 的 8bit 資料位，校驗位是可選項（我們暫不開啟），最後由 1bit 高電平停止位結束，I/O 回歸高電平空閑狀态。
- Note 1：檢測下降沿跳變，是因為 I/O 空閑為高，起始位的存在保證了每 Byte 傳輸周期總是從下降沿開始。
- Note 2：起始位和停止位兩個 bit 的存在還兼有波特率容錯的功能，通信雙方波特率在 3% 的誤差内資料傳輸均可以正常進行。
雖然我們不需要約定上位機波特率，但是要想實作波特率自動識别，上位機初始傳輸的資料卻必須要事先約定好（可了解為接頭暗号），這涉及到 MCU 裡檢測電平跳變次數與相應計時計算。這個接頭暗号是雙向的，MCU 端根據接頭暗号識别出波特率後，再将同樣的接頭暗号通過 UART_TXD 發送給上位機以确認（這部分邏輯不在自動波特率識别程式設計範疇裡，應放在項目整體設計裡）。
痞子衡設計的接頭暗号是 0x5A, 0xA6 兩個位元組，兩位元組暗号相比單位元組暗号容錯性更好一些（以防 I/O 上有幹擾，導緻誤識别），根據指定的暗号和 UART 傳輸時序圖，我們很容易得到如下常量定義：
enum _autobaud_counts { //! 0x5A 位元組對應的下降沿個數 kFirstByteRequiredFallingEdges = 4, //! 0xA6 位元組對應的下降沿個數 kSecondByteRequiredFallingEdges = 3, //! 0x5A 位元組（從起始位到停止位）第一個下降沿到最後一個下降沿之間的實際bit數 kNumberOfBitsForFirstByteMeasured = 8, //! 0xA6 位元組（從起始位到停止位）第一個下降沿到最後一個下降沿之間的實際bit數 kNumberOfBitsForSecondByteMeasured = 7, //! 兩個下降沿之間允許的最大逾時(us) kMaximumTimeBetweenFallingEdges = 80000, //! 對實際檢測出的波特率值做對齊處理，以便于更好地配置UART子產品 kAutobaudStepSize = 1200 }; 上述常量定義裡，kMaximumTimeBetweenFallingEdges 指定了兩個下降沿之間允許的最大時間間隔，超過這個時間，自動波特率程式将丢掉前面統計的下降沿個數，重頭開始識别，這個設計也是為了防止 I/O 上有電平幹擾，導緻誤識别。
kAutobaudStepSize 常量是為了對檢測出的波特率值做對齊處理，公式是 rounded = stepSize * (value/stepSize + 0.5)，其中 value 是實際檢測出的波特率值，rounded 是對齊後的波特率值，用對齊後的波特率值能更好地配置UART外設（這跟UART子產品裡波特率發生器SBR設計有關）。
最後就是 I/O 電平下降沿檢測方法設計，這裡既可以用軟體查詢（就是循環讀取 I/O 輸入電平，比較目前值與上一次值的差異），也可以使用GPIO子產品自帶的邊沿中斷功能。推薦使用後者，一方面計時更精确，另外也不用阻塞系統。檢測到下降沿發生就調用一次如下 pin_transition_callback() 函數，在這個函數裡統計跳變次數以及計時。
//! @brief 管腳下降沿跳變回調函數 static void pin_transition_callback(void); 1.3 主代碼實作
根據上一小節描述的設計思想，我們很容易寫出下面的主代碼（autobaud_irq.c），代碼裡痞子衡都做了詳細注釋。有一點要提的是關于其中系統計時，可參考痞子衡舊文 《嵌入式裡通用微秒(microseconds)計時函數架構設計與實作》 。
//! @brief 使能GPIO管腳中斷 extern void enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t func); //! @brief 關閉GPIO管腳中斷 extern void disable_autobaud_pin_irq(void); //!< 已檢測到的下降沿個數 static uint32_t s_transitionCount; //!< 0x5A 位元組檢測期間内對應計數值 static uint64_t s_firstByteTotalTicks; //!< 0xA6 位元組檢測期間内對應計數值 static uint64_t s_secondByteTotalTicks; //!< 上一次下降沿發生時系統計數值 static uint64_t s_lastToggleTicks; //!< 下降沿之間最大逾時對應計數值 static uint64_t s_ticksBetweenFailure; void autobaud_init(void) { s_transitionCount = 0; s_firstByteTotalTicks = 0; s_secondByteTotalTicks = 0; s_lastToggleTicks = 0; // 計算出下降沿之間最大逾時對應計數值 s_ticksBetweenFailure = microseconds_convert_to_ticks(kMaximumTimeBetweenFallingEdges); // 使能GPIO管腳中斷，并注冊中斷處理回調函數 enable_autobaud_pin_irq(pin_transition_callback); } void autobaud_deinit(void) { // 關閉GPIO管腳中斷 disable_autobaud_pin_irq(); } bool autobaud_get_rate(uint32_t *rate) { if (s_transitionCount == (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges)) { // 計算出實際檢測到的波特率值 uint32_t calculatedBaud = (microseconds_get_clock() * (kNumberOfBitsForFirstByteMeasured + kNumberOfBitsForSecondByteMeasured)) / (uint32_t)(s_firstByteTotalTicks + s_secondByteTotalTicks); // 對實際檢測出的波特率值做對齊處理 // 公式：rounded = stepSize * (value/stepSize + .5) *rate = ((((calculatedBaud * 10) / kAutobaudStepSize) + 5) / 10) * kAutobaudStepSize; return true; } else { return false; } } void pin_transition_callback(void) { // 擷取目前系統計數值 uint64_t ticks = microseconds_get_ticks(); // 計數這次檢測到的下降沿 s_transitionCount++; // 如果本次下降沿與上次下降沿之間間隔過長，則從頭開始檢測 uint64_t delta = ticks - s_lastToggleTicks; if (delta > s_ticksBetweenFailure) { s_transitionCount = 1; } switch (s_transitionCount) { case 1: // 0x5A 位元組檢測時間起點 s_firstByteTotalTicks = ticks; break; case kFirstByteRequiredFallingEdges: // 得到 0x5A 位元組檢測期間内對應計數值 s_firstByteTotalTicks = ticks - s_firstByteTotalTicks; break; case (kFirstByteRequiredFallingEdges + 1): // 0xA6 位元組檢測時間起點 s_secondByteTotalTicks = ticks; break; case (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges): // 得到 0xA6 位元組檢測期間内對應計數值 s_secondByteTotalTicks = ticks - s_secondByteTotalTicks; // 關閉GPIO管腳中斷 disable_autobaud_pin_irq(); break; } // 記錄本次下降沿發生時系統計數值 s_lastToggleTicks = ticks; } 二、序列槽(UART)自動波特率識别程式實作
前面講的都是硬體無關設計，但最終還是要落實到具體 MCU 平台上的，其中 GPIO 中斷部分是跟 MCU 緊相關的。我們以恩智浦 i.MXRT1011 為例來介紹硬體實作。
2.1 管腳中斷方式實作（基于i.MXRT1011）
恩智浦 MIMXRT1010-EVK 有闆載調試器 DAPLink，這個 DAPLink 中也內建了 USB 轉序列槽的功能，對應的 UART 引腳是 IOMUXC_GPIO_09_LPUART1_RXD 和 IOMUXC_GPIO_10_LPUART1_TXD，我們就選用這個管腳 GPIO1[9] 做自動波特率檢測，實作代碼如下（注：代碼裡中斷處理函數 GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler 實際上有點小缺陷，詳見 《中斷處理函數(IRQHandler)的标準流程》）：
- BSP程式： https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/apps/autobaud_imxrt1011/bsp/src/pinmux_utility.c
typedef void (*pin_irq_callback_t)(void); static pin_irq_callback_t s_pin_irq_func; //! @brief UART引腳功能切換函數 void uart_pinmux_config(bool setGpio) { if (setGpio) { IOMUXC_SetUartAutoBaudPinMode(IOMUXC_GPIO_09_GPIOMUX_IO09, GPIO1, 9); } else { IOMUXC_SetUartPinMode(IOMUXC_GPIO_09_LPUART1_RXD); IOMUXC_SetUartPinMode(IOMUXC_GPIO_10_LPUART1_TXD); } } //! @brief 使能GPIO管腳中斷 void enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t func) { s_pin_irq_func = func; // 開啟GPIO1_9下降沿中斷 GPIO_SetPinInterruptConfig(GPIO1, 9, kGPIO_IntFallingEdge); GPIO1->IMR |= (1U << 9); NVIC_SetPriority(GPIO1_Combined_0_15_IRQn, 1); NVIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_0_15_IRQn); } //! @brief GPIO中斷處理函數 void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void) { uint32_t interrupt_flag = (1U << 9); // 僅當GPIO1_9中斷發生時 if ((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func) { //執行一次回調函數 s_pin_irq_func(); GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag); } } 2.2 在MIMXRT1010-EVK上實測
一切就緒，我們現在來實測一下，主函數流程很簡單，測試結果也表明達到了預期效果，每次将 MCU 程式複位運作後，序列槽調試助手裡可任意設定波特率。
int main(void) { // 略去系統時鐘配置... // 初始化定時器 microseconds_init(); // 将GPIO1_9先配成輸入GPIO bool setGpio = true; uart_pinmux_config(setGpio); // 初始化波特率識别 autobaud_init(); // 檢測波特率識别是否已完成，并擷取波特率值 uint32_t baudrate; while (!autobaud_get_rate(&baudrate)); // 關閉波特率識别 autobaud_deinit(); // 配置UART1引腳 setGpio = false; uart_pinmux_config(setGpio); // 初始化UART1外設 uint32_t uartClkSrcFreq = BOARD_DebugConsoleSrcFreq(); DbgConsole_Init(1, baudrate, kSerialPort_Uart, uartClkSrcFreq); PRINTF("Autobaud test success\r\n"); PRINTF("Detected baudrate is %d\r\n", baudrate); while (1); } 
至此，嵌入式裡序列槽(UART)自動波特率識别程式設計與實作痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~
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衡傑(痞子衡)，目前就職于恩智浦MCU系統部門，擔任嵌入式系統應用工程師。
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