软件中断笔记小结-优快云博客

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1. 软件串口的基本原理

什么是串口通信？

串口（UART）：异步串行通信协议，数据以固定格式传输：
- 帧格式：1 个起始位（0）、8 个数据位、1 个结束位（1），共 10 位。
- 波特率：每秒传输的位数，例如 115200bps 表示每秒 115200 位。
- 位时长：1 / 波特率，例如 115200bps 的位时长 ≈ 8.68µs。

硬件 UART vs 软件串口

硬件 UART：
- 使用 STM32 的内置 USART 外设，波特率由时钟分频器控制。
- 优点：高效、可靠。
- 缺点：波特率固定，无法动态调整单个位的时长。
软件串口：
- 用定时器控制时间，用 GPIO 输出/读取电平。
- 优点：灵活，可实现波特率拉偏。
- 缺点：CPU 占用高，依赖定时器精度。

软件串口的关键

发送：定时器触发中断，逐位输出到 GPIO。
接收：外部中断检测起始位，定时器采样数据位。

2. 波特率与时钟的关系

波特率计算

波特率 = 时钟频率 / (每位所需的计数值)。
位时长 = 1 / 波特率。
示例：
- 目标波特率 = 115200bps。
- 位时长 = 1 / 115200 ≈ 8.68µs。

时钟配置

假设使用 STM32F103：

系统时钟：72MHz（典型配置）。
定时器时钟：
- 通过预分频器（Prescaler）调整，例如设为 72，则定时器时钟 = 72MHz / 72 = 1MHz（周期 1µs）。
定时器计数：
- 每个计数 = 1 / 1MHz = 1µs。
- 115200bps 的位时长 8.68µs ≈ 8.68 个计数。
- 设置定时器重装值（ARR）为 8（计数 0 到 8，共 9 次），周期 ≈ 9µs，波特率 ≈ 111111bps（接近 115200bps）。

调整精度

如果需要更精确：
- 降低预分频器，例如设为 36，则定时器时钟 = 2MHz（周期 0.5µs）。
- 位时长 8.68µs ≈ 17.36 个计数，ARR = 16（计数 17 次），周期 8.5µs，波特率 ≈ 117647bps。

3. 软件串口代码示例

硬件假设

MCU：STM32F103。
TX 引脚：GPIOA Pin 0。
RX 引脚：GPIOA Pin 1。
定时器：TIM2（发送），TIM3（接收）。
目标波特率：115200bps

发送代码

#include "stm32f1xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim2, htim3;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

// 全局变量
uint8_t tx_buffer[] = {0xAA}; // 发送数据：0xAA (10101010)
uint8_t tx_bit_index = 0;
uint8_t rx_buffer = 0;
uint8_t rx_bit_index = 0;

void SystemClock_Config(void); // 默认 72MHz 配置

// 初始化 GPIO 和定时器
void SoftwareUART_Init(void) {
    // GPIO 配置
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; // TX
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; // RX
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING; // 外部中断检测起始位
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // TIM2 配置 (发送)
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 71;        // 72MHz / 72 = 1MHz
    htim2.Init.Period = 8;            // 9µs ≈ 111111bps
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);    // 中断模式

    // TIM3 配置 (接收)
    __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 71;
    htim3.Init.Period = 4;            // 半个位时长 4.5µs
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim3);

    // NVIC 配置
    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI1_IRQn, 1, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI1_IRQn);
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 2, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 2, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
}

接受代码

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_1) { // 起始位下降沿
        rx_buffer = 0;
        rx_bit_index = 0;
        HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3); // 启动采样
    }
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim->Instance == TIM3) { // 接收定时器
        if (rx_bit_index < 9) {   // 采样 9 次（起始 + 8 数据）
            if (rx_bit_index > 0) { // 跳过起始位
                uint8_t bit = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1);
                rx_buffer |= (bit << (rx_bit_index - 1));
            }
            rx_bit_index++;
        } else {
            HAL_TIM_Base_Stop(&htim3); // 接收完成
            printf("Received: 0x%02X\n", rx_buffer);
        }
    }
}

流程：
1. 外部中断检测起始位下降沿。
2. 定时器以半个位时长（4.5µs）采样，确保落在每位中间。
3. 读取 8 个数据位，重建字节。
波形解析：
- 输入 0xAA：
  - 采样点：0 (起始), 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1。
  - 结果：rx_buffer = 0xAA。