UART自动波特率识别程序设计方案
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。mcu识别完成后将暗号发回给上位机确认。
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。
//! @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;
//! 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：
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，
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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。mcu识别完成后将暗号发回给上位机确认。
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。
//! @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;
//! 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：
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，
研究人员设计了一款能够实时测量血小板强度的微流控装置
北京宝沃复活失败，申请破产清算
基于MSP430F413单片机和MFRC522芯片实现低功耗预付费水表的设计
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IC设计：软硬件交互-polling方式
UART自动波特率识别程序设计方案
调节阀和控制阀的区分
iPod如何当做移动硬盘来用？
SCHURTER硕特高功率应用的安全网设计
IM公司启动Origami生态系统，并首次推出Origami B20开发模块
串口转WIFI模块
机器人和人工智能科技成为常态，会造成现有劳动力的失业吗？
消息 传滴滴亏损109亿 苹果春季发布会时间3月25日
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一款轻巧多模的无线充电鼠标雷柏M300S
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