大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是嵌入式里串口(UART)自动波特率识别程序设计与实现。
串口(UART)是嵌入式里最基础最常用也最简单的一种通讯（数据传输）方式，可以说是工程师入门通讯领域的启蒙老师，同时串口打印也是嵌入式项目里非常经典的调试与交互方式。
最精简的串口仅使用两根单向信号线：TXD、RXD，这两根信号线是独立工作的，因此数据收发既可分开也可同时进行，这就是所谓的全双工。串口没有主从机概念，并且没有专门的时钟信号 SCK，所以串口通信也属于异步传输。
说到异步传输，这就不得不提波特率（每秒钟传输bit数）的问题了，通信双方必须使用一致的波特率才能完成正确的数据传输。正常情况下，我们都是为两个串口设备事先约定好波特率，比如 MCU 与上位机通信，在 MCU 程序里按 115200 的波特率去初始化 UART 外设，然后上位机串口调试助手也设置 115200 波特率，双方再联合工作。
有时候，我们也希望能有一种灵活的波特率约定方式，比如建立通信前，在上位机串口调试助手里随意设置一种波特率，然后按这个波特率发送数据，MCU 端能自动识别出这个波特率，并用识别出来的波特率去初始化 UART 外设，然后再进行后续数据传输，这种方式就叫自动波特率识别。痞子衡今天要分享的就是在 MCU 里实现自动波特率识别的程序设计：
- 程序主页： https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/components/autobaud
一、串口(UART)自动波特率识别程序设计
1.1 函数接口定义
首先是设计自动波特率识别程序头文件：autobaud.h ，这个头文件里直接定义如下 3 个接口函数原型。涵盖必备的初始化流程 init()、deinit()，以及最核心的波特率识别功能 get_rate()。
//! @brief 初始化波特率识别 void autobaud_init(void); //! @brief 检测波特率识别是否已完成，并获取波特率值 bool autobaud_get_rate(uint32_t *rate); //! @brief 关闭波特率识别 void autobaud_deinit(void); 1.2 识别设计思想
关于识别，因为上位机数据是从 RXD 引脚过来的，所以在 MCU 里需要先将 RXD 引脚配置成普通数字输入 GPIO（这个引脚需要上拉，默认保持高电平），然后检测这个 GPIO 的电平跳变（一般用下降沿）并计时。
下图是典型的 UART 单字节传输时序，I/O 空闲状态是高电平，传输时总是由 1bit 低电平起始位开启，然后是从 LSB 到 MSB 的 8bit 数据位，校验位是可选项（我们暂不开启），最后由 1bit 高电平停止位结束，I/O 回归高电平空闲状态。
- Note 1：检测下降沿跳变，是因为 I/O 空闲为高，起始位的存在保证了每 Byte 传输周期总是从下降沿开始。
- Note 2：起始位和停止位两个 bit 的存在还兼有波特率容错的功能，通信双方波特率在 3% 的误差内数据传输均可以正常进行。
虽然我们不需要约定上位机波特率，但是要想实现波特率自动识别，上位机初始传输的数据却必须要事先约定好（可理解为接头暗号），这涉及到 MCU 里检测电平跳变次数与相应计时计算。这个接头暗号是双向的，MCU 端根据接头暗号识别出波特率后，再将同样的接头暗号通过 UART_TXD 发送给上位机以确认（这部分逻辑不在自动波特率识别程序设计范畴里，应放在项目整体设计里）。
痞子衡设计的接头暗号是 0x5A, 0xA6 两个字节，两字节暗号相比单字节暗号容错性更好一些（以防 I/O 上有干扰，导致误识别），根据指定的暗号和 UART 传输时序图，我们很容易得到如下常量定义：
enum _autobaud_counts { //! 0x5A 字节对应的下降沿个数 kFirstByteRequiredFallingEdges = 4, //! 0xA6 字节对应的下降沿个数 kSecondByteRequiredFallingEdges = 3, //! 0x5A 字节（从起始位到停止位）第一个下降沿到最后一个下降沿之间的实际bit数 kNumberOfBitsForFirstByteMeasured = 8, //! 0xA6 字节（从起始位到停止位）第一个下降沿到最后一个下降沿之间的实际bit数 kNumberOfBitsForSecondByteMeasured = 7, //! 两个下降沿之间允许的最大超时(us) kMaximumTimeBetweenFallingEdges = 80000, //! 对实际检测出的波特率值做对齐处理，以便于更好地配置UART模块 kAutobaudStepSize = 1200 }; 上述常量定义里，kMaximumTimeBetweenFallingEdges 指定了两个下降沿之间允许的最大时间间隔，超过这个时间，自动波特率程序将丢掉前面统计的下降沿个数，重头开始识别，这个设计也是为了防止 I/O 上有电平干扰，导致误识别。
kAutobaudStepSize 常量是为了对检测出的波特率值做对齐处理，公式是 rounded = stepSize * (value/stepSize + 0.5)，其中 value 是实际检测出的波特率值，rounded 是对齐后的波特率值，用对齐后的波特率值能更好地配置UART外设（这跟UART模块里波特率发生器SBR设计有关）。
最后就是 I/O 电平下降沿检测方法设计，这里既可以用软件查询（就是循环读取 I/O 输入电平，比较当前值与上一次值的差异），也可以使用GPIO模块自带的边沿中断功能。推荐使用后者，一方面计时更精确，另外也不用阻塞系统。检测到下降沿发生就调用一次如下 pin_transition_callback() 函数，在这个函数里统计跳变次数以及计时。
//! @brief 管脚下降沿跳变回调函数 static void pin_transition_callback(void); 1.3 主代码实现
根据上一小节描述的设计思想，我们很容易写出下面的主代码（autobaud_irq.c），代码里痞子衡都做了详细注释。有一点要提的是关于其中系统计时，可参考痞子衡旧文 《嵌入式里通用微秒(microseconds)计时函数框架设计与实现》 。
//! @brief 使能GPIO管脚中断 extern void enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t func); //! @brief 关闭GPIO管脚中断 extern void disable_autobaud_pin_irq(void); //!< 已检测到的下降沿个数 static uint32_t s_transitionCount; //!< 0x5A 字节检测期间内对应计数值 static uint64_t s_firstByteTotalTicks; //!< 0xA6 字节检测期间内对应计数值 static uint64_t s_secondByteTotalTicks; //!< 上一次下降沿发生时系统计数值 static uint64_t s_lastToggleTicks; //!< 下降沿之间最大超时对应计数值 static uint64_t s_ticksBetweenFailure; void autobaud_init(void) { s_transitionCount = 0; s_firstByteTotalTicks = 0; s_secondByteTotalTicks = 0; s_lastToggleTicks = 0; // 计算出下降沿之间最大超时对应计数值 s_ticksBetweenFailure = microseconds_convert_to_ticks(kMaximumTimeBetweenFallingEdges); // 使能GPIO管脚中断，并注册中断处理回调函数 enable_autobaud_pin_irq(pin_transition_callback); } void autobaud_deinit(void) { // 关闭GPIO管脚中断 disable_autobaud_pin_irq(); } bool autobaud_get_rate(uint32_t *rate) { if (s_transitionCount == (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges)) { // 计算出实际检测到的波特率值 uint32_t calculatedBaud = (microseconds_get_clock() * (kNumberOfBitsForFirstByteMeasured + kNumberOfBitsForSecondByteMeasured)) / (uint32_t)(s_firstByteTotalTicks + s_secondByteTotalTicks); // 对实际检测出的波特率值做对齐处理 // 公式：rounded = stepSize * (value/stepSize + .5) *rate = ((((calculatedBaud * 10) / kAutobaudStepSize) + 5) / 10) * kAutobaudStepSize; return true; } else { return false; } } void pin_transition_callback(void) { // 获取当前系统计数值 uint64_t ticks = microseconds_get_ticks(); // 计数这次检测到的下降沿 s_transitionCount++; // 如果本次下降沿与上次下降沿之间间隔过长，则从头开始检测 uint64_t delta = ticks - s_lastToggleTicks; if (delta > s_ticksBetweenFailure) { s_transitionCount = 1; } switch (s_transitionCount) { case 1: // 0x5A 字节检测时间起点 s_firstByteTotalTicks = ticks; break; case kFirstByteRequiredFallingEdges: // 得到 0x5A 字节检测期间内对应计数值 s_firstByteTotalTicks = ticks - s_firstByteTotalTicks; break; case (kFirstByteRequiredFallingEdges + 1): // 0xA6 字节检测时间起点 s_secondByteTotalTicks = ticks; break; case (kFirstByteRequiredFallingEdges + kSecondByteRequiredFallingEdges): // 得到 0xA6 字节检测期间内对应计数值 s_secondByteTotalTicks = ticks - s_secondByteTotalTicks; // 关闭GPIO管脚中断 disable_autobaud_pin_irq(); break; } // 记录本次下降沿发生时系统计数值 s_lastToggleTicks = ticks; } 二、串口(UART)自动波特率识别程序实现
前面讲的都是硬件无关设计，但最终还是要落实到具体 MCU 平台上的，其中 GPIO 中断部分是跟 MCU 紧相关的。我们以恩智浦 i.MXRT1011 为例来介绍硬件实现。
2.1 管脚中断方式实现（基于i.MXRT1011）
恩智浦 MIMXRT1010-EVK 有板载调试器 DAPLink，这个 DAPLink 中也集成了 USB 转串口的功能，对应的 UART 引脚是 IOMUXC_GPIO_09_LPUART1_RXD 和 IOMUXC_GPIO_10_LPUART1_TXD，我们就选用这个管脚 GPIO1[9] 做自动波特率检测，实现代码如下（注：代码里中断处理函数 GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler 实际上有点小缺陷，详见 《中断处理函数(IRQHandler)的标准流程》）：
- BSP程序： 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引脚功能切换函数 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管脚中断 void enable_autobaud_pin_irq(pin_irq_callback_t func) { s_pin_irq_func = func; // 开启GPIO1_9下降沿中断 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中断处理函数 void GPIO1_Combined_0_15_IRQHandler(void) { uint32_t interrupt_flag = (1U << 9); // 仅当GPIO1_9中断发生时 if ((GPIO_GetPinsInterruptFlags(GPIO1) & interrupt_flag) && s_pin_irq_func) { //执行一次回调函数 s_pin_irq_func(); GPIO_ClearPinsInterruptFlags(GPIO1, interrupt_flag); } } 2.2 在MIMXRT1010-EVK上实测
一切就绪，我们现在来实测一下，主函数流程很简单，测试结果也表明达到了预期效果，每次将 MCU 程序复位运行后，串口调试助手里可任意设置波特率。
int main(void) { // 略去系统时钟配置... // 初始化定时器 microseconds_init(); // 将GPIO1_9先配成输入GPIO bool setGpio = true; uart_pinmux_config(setGpio); // 初始化波特率识别 autobaud_init(); // 检测波特率识别是否已完成，并获取波特率值 uint32_t baudrate; while (!autobaud_get_rate(&baudrate)); // 关闭波特率识别 autobaud_deinit(); // 配置UART1引脚 setGpio = false; uart_pinmux_config(setGpio); // 初始化UART1外设 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，嵌入式里串口(UART)自动波特率识别程序设计与实现痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~
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衡杰(痞子衡)，目前就职于恩智浦MCU系统部门，担任嵌入式系统应用工程师。
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