串口(UART)是嵌入式里最基礎最常用也最簡單的一種通訊（數據傳輸）方式，可以說是工程師入門通訊領域的啟蒙老師，同時串口打印也是嵌入式項目里非常經典的調試與交互方式。

最精簡的串口僅使用兩根單向信號線：TXD、RXD，這兩根信號線是獨立工作的，因此數據收發既可分開也可同時進行，這就是所謂的全雙工。串口沒有主從機概念，并且沒有專門的時鐘信號 SCK，所以串口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致的波特率才能完成正確的數據傳輸。正常情況下，我們都是為兩個串口設備事先約定好波特率，比如 MCU 與上位機通信，在 MCU 程序里按 115200 的波特率去初始化 UART 外設，然后上位機串口調試助手也設置 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，在上位機串口調試助手里隨意設置一種波特率，然后按這個波特率發送數據，MCU 端能自動識別出這個波特率，并用識別出來的波特率去初始化 UART 外設，然后再進行后續數據傳輸，這種方式就叫自動波特率識別。痞子衡今天要分享的就是在 MCU 里實現自動波特率識別的程序設計：

程序主頁：https://github.com/JayHeng/cortex-m-apps/tree/master/components/autobaud

一、串口(UART)自動波特率識別程序設計

1.1 函數接口定義

首先是設計自動波特率識別程序頭文件：autobaud.h ，這個頭文件里直接定義如下 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別功能 get_rate()。

//!@brief初始化波特率識別

void

autobaud_init

(

void

);

//!@brief檢測波特率識別是否已完成，并獲取波特率值

bool

autobaud_get_rate

(

uint32_t

*rate);

//!@brief關閉波特率識別

void

autobaud_deinit

(

void

);

1.2 識別設計思想

關于識別，因為上位機數據是從 RXD 引腳過來的，所以在 MCU 里需要先將 RXD 引腳配置成普通數字輸入 GPIO（這個引腳需要上拉，默認保持高電平），然后檢測這個 GPIO 的電平跳變（一般用下降沿）并計時。

下圖是典型的 UART 單字節傳輸時序，I/O 空閑狀態是高電平，傳輸時總是由 1bit 低電平起始位開啟，然后是從 LSB 到 MSB 的 8bit 數據位，校驗位是可選項（我們暫不開啟），最后由 1bit 高電平停止位結束，I/O 回歸高電平空閑狀態。

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% 的誤差內數據傳輸均可以正常進行。

雖然我們不需要約定上位機波特率，但是要想實現波特率自動識別，上位機初始傳輸的數據卻必須要事先約定好（可理解為接頭暗號），這涉及到 MCU 里檢測電平跳變次數與相應計時計算。MCU識別完成后將暗號發回給上位機確認。

痞子衡設計的接頭暗號是 0x5A, 0xA6 兩個字節，兩字節暗號相比單字節暗號容錯性更好一些（以防 I/O 上有干擾，導致誤識別），根據指定的暗號和 UART 傳輸時序圖，我們很容易得到如下常量定義：

enum

_autobaud_counts

{

//!0x5A字節對應的下降沿個數

kFirstByteRequiredFallingEdges=

4

,

//!0xA6字節對應的下降沿個數

kSecondByteRequiredFallingEdges=

3

,

//!0x5A字節（從起始位到停止位）第一個下降沿到最后一個下降沿之間的實際bit數

kNumberOfBitsForFirstByteMeasured=

8

,

//!0xA6字節（從起始位到停止位）第一個下降沿到最后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超時(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模塊

kAutobaudStepSize=

1200

};

上述常量定義里，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，自動波特率程序將丟掉前面統計的下降沿個數，重頭開始識別，這個設計也是為了防止 I/O 上有電平干擾，導致誤識別。

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 是對齊后的波特率值，用對齊后的波特率值能更好地配置UART外設（這跟UART模塊里波特率發生器SBR設計有關）。

最后就是 I/O 電平下降沿檢測方法設計，這里既可以用軟件查詢（就是循環讀取 I/O 輸入電平，比較當前值與上一次值的差異），也可以使用GPIO模塊自帶的邊沿中斷功能。推薦使用后者，一方面計時更精確，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，在這個函數里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 主代碼實現

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），代碼里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。

//!@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

);

//!

static

uint32_t

s_transitionCount;

//!

static

uint64_t

s_firstByteTotalTicks;

//!

static

uint64_t

s_secondByteTotalTicks;

//!

static

uint64_t

s_lastToggleTicks;

//!

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超時對應計數值

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

)

{

//獲取當前系統計數值

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字節檢測時間起點

s_firstByteTotalTicks=ticks;

break

;

case

kFirstByteRequiredFallingEdges:

//得到0x5A字節檢測期間內對應計數值

s_firstByteTotalTicks=ticks-s_firstByteTotalTicks;

break

;

case

(kFirstByteRequiredFallingEdges+

1

):

//0xA6字節檢測時間起點

s_secondByteTotalTicks=ticks;

break

;

case

(kFirstByteRequiredFallingEdges+kSecondByteRequiredFallingEdges):

//得到0xA6字節檢測期間內對應計數值

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、串口(UART)自動波特率識別程序實現

前面講的都是硬件無關設計，但最終還是要落實到具體 MCU 平臺上的，其中 GPIO 中斷部分是跟 MCU 緊相關的。我們以恩智浦 i.MXRT1011 為例來介紹硬件實現。

2.1 管腳中斷方式實現（基于i.MXRT1011）

恩智浦 MIMXRT1010-EVK 有板載調試器 DAPLink，這個 DAPLink 中也集成了 USB 轉串口的功能，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，實現代碼如下：

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;

//!@briefUART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);

}

//!@briefGPIO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，每次將 MCU 程序復位運行后，串口調試助手里可任意設置波特率。

int

main

(

void

)

{

//略去系統時鐘配置...

//初始化定時器

microseconds_init();

//將GPIO1_9先配成輸入GPIO

bool

setGpio=

true

;

uart_pinmux_config(setGpio);

//初始化波特率識別

autobaud_init();

//檢測波特率識別是否已完成，并獲取波特率值

uint32_t

baudrate;

while

(!autobaud_get_rate(&baudrate));

//關閉波特率識別

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(

"Autobaudtestsuccess\r\n"

);

PRINTF(

"Detectedbaudrateis%d\r\n"

,baudrate);

while

(

1

);

}

至此，嵌入式里串口(UART)自動波特率識別程序設計與實現痞子衡便介紹完畢了，