石 棟

(昆明學(xué)院 信息工程學(xué)院，云南 昆明 650214)

串口是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中微控制器(MCU)間或微控制器與上位機(jī)之間最基本的通信手段．隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，MCU的功能越來越強(qiáng)大．但考慮到成本問題，MCU生產(chǎn)商在MCU上僅會配置1～3個UART，以至于在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中如果需要較多的串口通信時，就必須采用擴(kuò)展串口的方式來實(shí)現(xiàn)．

目前，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的擴(kuò)展串口方法主要有3種基本方案：1)利用硬件擴(kuò)展多串口通信[1]．該方式是利用數(shù)字控制的模擬數(shù)據(jù)選擇/分配器，或利用串口的擴(kuò)展芯片來擴(kuò)展串口．2)利用MCU定時器的定時功能實(shí)現(xiàn)軟件模擬串口．該類型的設(shè)計(jì)又分為兩種，一種是利用MCU上的定時器進(jìn)行延時，從而用模擬的方法實(shí)現(xiàn)串口功能[2-5]，另一種是使用定時器的輸出比較、輸入捕獲的功能實(shí)現(xiàn)UART功能[6]．3)利用軟件空循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)模擬串口[7]．這種方法使用for空循環(huán)語句進(jìn)行延時，以實(shí)現(xiàn)控制串口通信每一位的持續(xù)時間．

在現(xiàn)有方案中，方案1的擴(kuò)展方法需增加硬件成本；方案2需占用MCU定時器資源；方案3無法實(shí)現(xiàn)多時鐘頻率、多波特率下正常工作，可移植性差．因此，本文通過分析串口波特率、MCU內(nèi)核時鐘頻率和延時函數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，借此給出準(zhǔn)確延時的計(jì)算方案，從而在不增加硬件資源、不占用MCU定時器資源的情況下，利用純軟件方法實(shí)現(xiàn)可以在多內(nèi)核時鐘頻率、多波特率下正常工作，且具備可移植、可復(fù)用的GPIO模擬串口構(gòu)件設(shè)計(jì)．同時鑒于目前文獻(xiàn)中尚未解決用軟件方法實(shí)現(xiàn)串口功能時代碼時間開銷的測算問題，或只能粗略估算代碼時間開銷、僅能實(shí)現(xiàn)少量個字符接收的問題[7]，提出一種較為準(zhǔn)確的調(diào)試方法，從而較好地解決模擬串口的測試問題．

1 通用異步串口的技術(shù)要點(diǎn)分析

1.1 異步串口通信的技術(shù)要點(diǎn)

常見串口的基本要素包含串行通信數(shù)據(jù)格式、波特率和奇偶校驗(yàn)．圖1[8]給出了8位數(shù)據(jù)、無奇偶校驗(yàn)情況的傳送格式．

波特率是串口每秒內(nèi)傳送的位數(shù)，其倒數(shù)就是發(fā)送一位的位長，也稱為位的持續(xù)時間．而奇偶校驗(yàn)分為奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)，在使用時其僅能驗(yàn)證字符中含“1”的位數(shù)是奇數(shù)個還是偶數(shù)個，校驗(yàn)功能有限，實(shí)際應(yīng)用中多不使用．因此本設(shè)計(jì)不考慮該設(shè)計(jì)方法．

1.2 GPIO模擬串口的技術(shù)要點(diǎn)

要實(shí)現(xiàn)通過GPIO模擬串口與上位機(jī)等其他設(shè)備的通信，模擬串口要具備與普通串口相同的異步串口通信格式、波特率等．從圖1可以看出，每發(fā)送(接收)一位都要持續(xù)一定的時間長度，即位長．一方面位長是波特率fbaud的倒數(shù)，另一方面位長還等于位長的時鐘周期數(shù)與MCU內(nèi)核時鐘周期(內(nèi)核時鐘頻率fCPU的倒數(shù))的乘積．如果使用軟件延時的方法實(shí)現(xiàn)位長，則軟件延時所需時鐘周期數(shù)就應(yīng)該等于位長的時鐘周期數(shù)．那么軟件延時數(shù)N就應(yīng)該與波特率fbaud和MCU內(nèi)核時鐘頻率fCPU間存在數(shù)學(xué)關(guān)系N=f(fbaud，fCPU)，找到這一關(guān)系后，就可以用軟件的方式實(shí)現(xiàn)串口位長的精確延時，同時利用該數(shù)學(xué)關(guān)系還可實(shí)現(xiàn)GPIO模擬串口的可復(fù)用與可移植．

2 delay()函數(shù)延時公式推導(dǎo)

本文采用delay()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)位延時：

void delay(uint_32 N)

{

uint_32 i;

for(i= 0;i

_asm(“NOP”)；

}

其中，“NOP”是匯編指令，稱為空指令．該指令的功能是無操作，通常用作指令對齊或延時[9]．如果能測算出當(dāng)N=1，2，3，…時，delay函數(shù)執(zhí)行所需要的時鐘周期數(shù)，并找到其入口參數(shù)N與時鐘周期數(shù)的關(guān)系，就可以利用delay函數(shù)實(shí)現(xiàn)模擬串口的位延時．

2.1 delay()執(zhí)行周期數(shù)的測量

delay()函數(shù)執(zhí)行的時鐘周期數(shù)可借助定時器測量：將定時器的工作時鐘頻率設(shè)定為MCU的內(nèi)核時鐘頻率，記錄下delay()函數(shù)開始執(zhí)行時和執(zhí)行結(jié)束時定時器的計(jì)數(shù)值，就可以計(jì)算出delay()函數(shù)執(zhí)行的時鐘周期數(shù)．由于Cortex-M系列處理器包含一個簡單時鐘定時器SysTick[10]．因此，本文利用ARM公司的Cortex-M0+系列MCU中的SysTick定時器進(jìn)行說明，測試方法如下：

……//初始化并使能SysTick定時器．

start_ticks=SysTick->VAL;//保存delay()函數(shù)開始時定時器計(jì)數(shù)值．

delay(N);//delay()函數(shù)執(zhí)行．

end_ticks=SysTick->VAL;//保存delay()函數(shù)結(jié)束時定時器計(jì)數(shù)值．

……//計(jì)算輸出語句或函數(shù)執(zhí)行的時鐘周期數(shù)．

在NXP公司基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的KL25上，測量出delay()函數(shù)入口參數(shù)N與函數(shù)執(zhí)行所需時鐘周期數(shù)(Ntick)的關(guān)系，如表1所示．

表1 delay()函數(shù)入口參數(shù)與時鐘周期數(shù)的關(guān)系

從表1可以看出，當(dāng)delay()函數(shù)入口參數(shù)為1時，執(zhí)行delay()函數(shù)需要的時鐘周期數(shù)是55次，隨后delay()函數(shù)的入口參數(shù)每增加1，delay()函數(shù)執(zhí)行需要的時鐘周期數(shù)就增加13次．由此不難得出，delay()函數(shù)的入口參數(shù)(N)與執(zhí)行時鐘周期數(shù)(Ntick)的關(guān)系為：

Ntick=13(N-1)+55,(N>0),

(1)

(1)式中的常數(shù)13和55除決定于MCU的CPU系列外，還與使用的編譯器環(huán)境有關(guān)．本文是在NXP的KDS環(huán)境下使用GNU編譯器實(shí)現(xiàn)的．在不同系列的MCU和不同的編譯環(huán)境下可將公式抽象為：

Ntick=A(N-1)+B,(N>0)，

(2)

其中A和B為兩個待定常數(shù)，可在具體的MCU和編譯環(huán)境中測量確定．本文以KL25在GNU編譯環(huán)境下進(jìn)行，則A=13，B=55．

2.2 串口波特率與MCU內(nèi)核時鐘頻率的關(guān)系

串口的波特率fbaud代表了串口 1 s 能夠傳輸?shù)奈?Bit)數(shù)，其倒數(shù)就是串口傳輸一個二進(jìn)制位(1 Bit)的位長．那么，串口傳輸一個二進(jìn)制位(1 Bit)所需的時鐘周期數(shù)就應(yīng)該等于串口傳輸一個二進(jìn)制位(1 Bit)所持續(xù)的時間與內(nèi)核時鐘周期的比值，也就是內(nèi)核時鐘頻率fCPU與波特率fbaud的比值，即：

(3)

2.3 delay()函數(shù)延時次數(shù)的公式推導(dǎo)

用delay()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬串口的位延時，則delay()函數(shù)執(zhí)行延時所需的時鐘周期數(shù)應(yīng)等于串口傳輸1 Bit的時鐘周期數(shù)．即：

Nticks=Nbit．

(4)

將公式(1)和公式(3)帶入公式(4)，可得：

(5)

從公式(5)可以得出，只要確定MCU的內(nèi)核時鐘頻率以及串口的波特率，就可以確定delay()函數(shù)的入口參數(shù)，因此就可用delay()函數(shù)在GPIO模擬串口實(shí)現(xiàn)位延時．即使內(nèi)核時鐘頻率改變或波特率改變，也可用公式(5)計(jì)算出新入口參數(shù)N．

3 可移植與可復(fù)用GPIO模擬串口構(gòu)件設(shè)計(jì)

為delay()函數(shù)找到準(zhǔn)確的入口參數(shù)后，就可以編程實(shí)現(xiàn)模擬串口的功能．本文采用蘇州大學(xué)嵌入式實(shí)驗(yàn)中心為KL25開發(fā)的底層驅(qū)動，并選用KL25開發(fā)板，在NXP公司提供的KDS軟件環(huán)境中實(shí)現(xiàn)模擬串口功能．為實(shí)現(xiàn)可移植與可復(fù)用的目的，工程采用構(gòu)件化的思想將模擬串口的功能進(jìn)行封裝，包含iouart.h和iouart.c文件．iouart.h是模擬串口構(gòu)件的頭文件，其內(nèi)容包含聲明保存延時函數(shù)入口參數(shù)的數(shù)組變量，以及模擬串口號的宏定義和函數(shù)聲明．iouart.c提供模擬串口的具體實(shí)現(xiàn)．這里僅就模擬串口的初始化、發(fā)送和接收功能進(jìn)行描述，將這3個功能封裝成3個構(gòu)件：初始化函數(shù)iouart_init()；發(fā)送一字節(jié)函數(shù)iouart_send1()；接收一字節(jié)函數(shù)iouart_re1()．

3.1 GPIO模擬串口構(gòu)件初始化設(shè)計(jì)

將GPIO模擬串口的初始化功能封裝成構(gòu)件：iouart_init(uint_8 uartNo,uint_32 baud)，參數(shù)uartNo和baud分別代表模擬串口編號和待用的波特率．該構(gòu)件需完成3個任務(wù)：1)在MCU上選擇的2個空閑I/O引腳，將其復(fù)用為GPIO功能．2)將發(fā)送功能引腳的GPIO功能定義為輸出，并令其輸出“1”，即輸出空閑電平；將用作接收功能引腳的GPIO功能定義為輸入．3)將MCU的內(nèi)核時鐘頻率(已知值)和選定的波特率代入公式(5)中計(jì)算delay()函數(shù)的入口參數(shù)，并將計(jì)算出來的入口參數(shù)結(jié)果放入到一個全局變量中供delay()函數(shù)使用．基本程序如下：

void iouart_init(uint_8 uartNo,uint_32 baud)

{

……//串口號解析及局部變量的聲明．

gpio_init(Uport[ioN],1,1);//初始化TX引腳：GPIO功能、輸出、高電平．

gpio_init(Uport[ioN+1],0,1);//初始化RX引腳：GPIO功能、輸入．

//計(jì)算特定波特率下“NOP”指令執(zhí)行的延時次數(shù),保存到全局變量nop_ticks[]中供延時函數(shù)使用．

nop_ticks[nopN]= ((SystemCoreClock*1.0/baud)-55.0)/13.0+1;

}

代碼中，nop_ticks[]是保存delay()函數(shù)入口參數(shù)的數(shù)組，SystemCoreClock用于保存系統(tǒng)時鐘頻率，由MCU在啟動時配置好時鐘頻率后賦值．模擬串口引腳號放置于Uport[]數(shù)組中，在“iouart.c”文件中編寫．

3.2 GPIO模擬串口構(gòu)件發(fā)送功能設(shè)計(jì)

GPIO模擬串口構(gòu)件發(fā)送功能封裝為構(gòu)件：iouart_send1(uint_8uartNo, uint_32 ch)．設(shè)計(jì)只需嚴(yán)格按照圖1所示的串行通信數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)即可．構(gòu)件函數(shù)基本程序如下：

void iouart_send1(uint_8 uartNo, uint_8 ch)

{

……//函數(shù)初始化．

gpio_set(Uport[ioN],0);//發(fā)送起始位．

delay(nop_ticks[nopN]);//延時一位位長．

//發(fā)送8位數(shù)據(jù)．

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

{

j= ((ch>>i)&0x01);//獲取第i位狀態(tài)．

gpio_set(Uport[ioN],j);//發(fā)送1位．

delay(nop_ticks[nopN]);//數(shù)據(jù)位延時．

}

gpio_set(Uport[ioN],1);//發(fā)送停止位．

delay(nop_ticks[nopN]);//停止位延時．

}

3.3 GPIO模擬串口構(gòu)件接收功能設(shè)計(jì)

GPIO模擬串口構(gòu)件接收功能封裝成構(gòu)件：iouart_re1(uint_8uartNo)．設(shè)計(jì)按照圖1所示的串行通信數(shù)據(jù)格式．但與發(fā)送功能比較，有3點(diǎn)不同：1)將開始位持續(xù)時間延長為原來的1.5倍，保證可以在每一個數(shù)據(jù)位的中間位置讀取接收數(shù)據(jù)，避免在電平變換時刻錯誤讀取接收引腳的數(shù)值．2)在接收數(shù)據(jù)位的每一位時采用連續(xù)接收3次的策略，實(shí)現(xiàn)濾波功能，避免因信號波動導(dǎo)致讀數(shù)錯誤．3)接收到停止位后不做位延時而直接返回?cái)?shù)據(jù)，保證模擬串口接收連續(xù)字符時有充裕的處理時間．uint_8 iouart_re1(uint_8 uartNo)函數(shù)的核心代碼為：

uint_8 iouart_re1(uint_8 uartNo)

{

……//利用模擬串口號解析出RX引腳號及delay入口參數(shù)．

k=gpio_get(Uport[ioN]);//獲取起始位．

delay(nop_ticks[nopN]);

for(i=0;i<8;i++)//讀8位數(shù)據(jù)．

{

//連讀3次濾波，同時可減少由于延時不準(zhǔn)確的影響．

k1=gpio_get(Uport[ioN]);

_asm(“NOP”);

k2=gpio_get(Uport[ioN]);

_asm(“NOP”);

k3=gpio_get(Uport[ioN]);

delay(nop_ticks[nopN]);

j=0;

//挑選3次讀中2次相同的值為最終值．

k1+=(k2+k3);

if(k1>=2) j=1;

dat|=((j)<

}

k=gpio_get(Uport[ioN]);//讀停止位．

gpio_clear_int(Uport[ioN]);//清除ISF中斷標(biāo)志．

return dat

}

3.4 GPIO模擬串口構(gòu)件的調(diào)試方法

實(shí)現(xiàn)了發(fā)送、接收功能的基本編程后，由于程序語句執(zhí)行、子函數(shù)調(diào)用都需要時間，就會導(dǎo)致模擬串口在發(fā)送接收數(shù)據(jù)時的時序出現(xiàn)問題．因此還需要對構(gòu)件進(jìn)行調(diào)試方能正常使用．為使GPIO模擬串口能夠正常工作在多種內(nèi)核時鐘頻率下，且能夠使用多種波特率，調(diào)試最好選在低內(nèi)核時鐘頻率、高波特率下進(jìn)行．

3.4.1 發(fā)送構(gòu)件的調(diào)試

由于本構(gòu)件的位延時可以做到非常準(zhǔn)確，因此發(fā)送時序的開始位、停止位可以少調(diào)試甚至不調(diào)試，僅需調(diào)試數(shù)據(jù)位的發(fā)送時序．下面以數(shù)據(jù)位的調(diào)試簡要說明其調(diào)試方法：1)根據(jù)使用的內(nèi)核時鐘頻率和波特率，計(jì)算出位長的理論時鐘周期數(shù)Ntick(公式(3))．2)利用SysTick定時器測量發(fā)送構(gòu)件iouart_send1()發(fā)送1個字節(jié)所用的時鐘周期數(shù)10Nreal(Nreal是發(fā)送1位所需的周期數(shù)，發(fā)送1個字節(jié)包含1個開始位、1個結(jié)束位、8個數(shù)據(jù)位)，這樣可以得到實(shí)際位長的時鐘周期數(shù)Nreal．然后比較Ndata與Ntick，其差值ΔN=Nreal-Ntick就是由于數(shù)據(jù)位語句執(zhí)行消耗的時鐘周期數(shù)，這樣數(shù)據(jù)位的位延時就應(yīng)該減少△N/13次，則數(shù)據(jù)位delay()函數(shù)的入口參數(shù)為N-△N/13，至此完成數(shù)據(jù)位的調(diào)試．

3.4.2 接收構(gòu)件的調(diào)試

本文模擬串口采用GPIO中斷實(shí)現(xiàn)接收功能，則接收功能的調(diào)試有兩個位置：開始位和數(shù)據(jù)位．調(diào)試開始位時，定時器SysTick應(yīng)從進(jìn)入GPIO中斷服務(wù)例程時開始計(jì)時，到iouart_re1()函數(shù)開始位延時后計(jì)時結(jié)束，此時定時器測得的計(jì)數(shù)值就是開始位的實(shí)際位長Nreal，之后處理方法與發(fā)送功能的數(shù)據(jù)位調(diào)試方法基本一致．而數(shù)據(jù)位的調(diào)試與發(fā)送功能的數(shù)據(jù)位調(diào)試基本一致，此處不再詳述．

4 測試與分析

為實(shí)現(xiàn)GPIO模擬串口的通信功能，本文使用蘇州大學(xué)NXP嵌入式實(shí)驗(yàn)中心的KL25開發(fā)板，在KDS3.0環(huán)境下利用KL25工程框架進(jìn)行測試．測試中本文設(shè)計(jì)的場景是，從上位機(jī)發(fā)送“0x01～0xFF”共255個字符，GPIO模擬串口接收到字符后再回發(fā)到上位機(jī)．接收回發(fā)功能在中斷中實(shí)現(xiàn)．

測試結(jié)果如圖2所示．該圖是在KL25內(nèi)核時鐘頻率為48 MHz、波特率為9 600 bps情況下的測試結(jié)果．經(jīng)過改變系統(tǒng)內(nèi)核時鐘頻率和波特率進(jìn)行反復(fù)測試的結(jié)果表明，本構(gòu)件在內(nèi)核時鐘頻率分別為24，48 MHz，波特率可以在300，600，1 200，2 400，4 800，9 600，1 440，19 200，38 400 bps下正常工作．若將其移植到NXP基于Cortex-M4F的K64MCU上，只需重新確定公式(2)的待定參數(shù)A和B，模擬串口構(gòu)件就可在K64上正常工作，從而實(shí)現(xiàn)了基于GPIO模擬串口的通用性和可復(fù)用性．

5 結(jié)語

本文從計(jì)算位長的時鐘周期數(shù)出發(fā)，測算了delay函數(shù)的入口參數(shù)N及MCU內(nèi)核時鐘頻率、串口波特率三者間的關(guān)系，提出位延時的數(shù)學(xué)模型N=f(fbaud，fCPU)， 并根據(jù)該模型設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了GPIO模擬串口構(gòu)件．利用此方法設(shè)計(jì)的GPIO模擬串口構(gòu)件可在不同的內(nèi)核時鐘頻率、不同的波特率下，實(shí)現(xiàn)GPIO模擬串口的可移植和可復(fù)用．同時針對目前文獻(xiàn)尚未報(bào)道如何很好地解決模擬串口調(diào)試方法的問題，提出利用定時器實(shí)現(xiàn)GPIO模擬串口發(fā)送、接收功能的調(diào)試．此外，本設(shè)計(jì)方法可以使GPIO模擬串口具備較好的工作性能．