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STM32 GPIO模拟UART串口：外部时钟及TIM方式

news 来源：原创 2024/5/20 5:16:25

STM32 GPIO模拟UART串口：外部时钟及TIM方式

在一些应用场景，MCU的硬件UART资源不足时，或者可用于硬件UART配置的管脚优先配置给了其它功能使用，就可以通过GPIO模拟UART功能以获得串口支持。本文介绍外部时钟及TIM方式，除了TX和RX两个GPIO管脚，只需要一个TIM资源实现UART串口收发。

这里以STM32F401CCU6芯片，STM32CUBEIDE开发平台实现模拟UART的范例。范例的UART通讯协议采用最常用的配置，即一个起始位，8个数据位，一个停止位，波特率为9600bps，码宽为104us。如果需要扩展高级功能，可以基于范例的基本实现进行修改。

TIM保持持续运行，TIM的计数溢出中断周期设置为UART串口波特率码宽的一半时间长度。当在某个TIM中断时，检测RX输入管脚从高电平已变为低电平，则识别为接收开始，然后在各个TIM中断时处理接收后续的字节位，并在接收结束时组装成字节。当要发送字节时，先设置发送标识和要发送的字节，然后在每个TIM中断发生时，按照时序关系发送各个字节位，实现UART串口的TX发送。

采用单个TIM实现的模拟UART串口，没有采用接收管脚的下降沿触发识别起始位，而是在TIM的中断时刻进行识别，不同次字节接收的位的采样时刻，存在一定的偏差，如果TIM时钟的抖动比较大，对于特定的采样时序设计，则二者配合起来，会产生一定的接收误码率，当TIM稳定, 则不会出现接收误码。所以本范例的方式，必须采用外部晶体供应时钟。

本范例在采用外时钟时无误码，采用内部时钟时会有一定误码率，可以作为一个案例进行比较测试以了解时钟源的选择对TIM稳定度与模拟时序方面的影响。

范例的工程设计为环回测试。RX管脚接收到一个字节后，TX管脚将这个字节发出去。接收和发送可以同时进行多个字节的操作。

工程配置

首先建立基本工程配置，设置外部时钟输入系统：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
设置2个GPIO作为TX和RX，这里用PA0(TX)和PA1(RX）：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
选择一个TIM设置为半波特率对应时间长度的周期，并配置中断，这里用TIM2：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
保存并生成基本工程代码：
在这里插入图片描述

代码实现

系统启动后，就可以启动中断模式的TIM2：

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

如需对接收过程字节位的采样时间微调，可以采用微秒延时函数实现，参考 STM32 HAL us delay（微秒延时）的指令延时实现方式及优化

完整的main.c代码如下：

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2022 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
//For this procedure of software UART
//External crystal must be used. One TIM is used.
//Written by Pegasus Yu in 2022
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */

/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
__IO float usDelayBase;
void PY_usDelayTest(void)
{
  __IO uint32_t firstms, secondms;
  __IO uint32_t counter = 0;

  firstms = HAL_GetTick()+1;
  secondms = firstms+1;

  while(uwTick!=firstms) ;

  while(uwTick!=secondms) counter++;

  usDelayBase = ((float)counter)/1000;
}

void PY_Delay_us_t(uint32_t Delay)
{
  __IO uint32_t delayReg;
  __IO uint32_t usNum = (uint32_t)(Delay*usDelayBase);

  delayReg = 0;
  while(delayReg!=usNum) delayReg++;
}

void PY_usDelayOptimize(void)
{
  __IO uint32_t firstms, secondms;
  __IO float coe = 1.0;

  firstms = HAL_GetTick();
  PY_Delay_us_t(1000000) ;
  secondms = HAL_GetTick();

  coe = ((float)1000)/(secondms-firstms);
  usDelayBase = coe*usDelayBase;
}


void PY_Delay_us(uint32_t Delay)
{
  __IO uint32_t delayReg;

  __IO uint32_t msNum = Delay/1000;
  __IO uint32_t usNum = (uint32_t)((Delay%1000)*usDelayBase);

  if(msNum>0) HAL_Delay(msNum);

  delayReg = 0;
  while(delayReg!=usNum) delayReg++;
}
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */
#define GPIO_OUTPUT_EXEC_DELAY_us 8
#define BaudRate_us 104 //for 9600bps
#define RBIT HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1)
#define TDL HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET)
#define TDH HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET)
/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
TIM_HandleTypeDef htim2;

/* USER CODE BEGIN PV */
#define buff_len 256
uint8_t tx_status = 0;
uint8_t rx_status = 0;

uint8_t txd[buff_len];
uint8_t rxd[buff_len];

uint32_t txd_index=0;
uint32_t rxd_index=0;
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  PY_usDelayTest();
  PY_usDelayOptimize();

  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    PY_Delay_us_t(1);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE2);

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 25;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV4;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/**
  * @brief TIM2 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_TIM2_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 0 */

  /* USER CODE END TIM2_Init 0 */

  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 1 */

  /* USER CODE END TIM2_Init 1 */
  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 83;
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 51;
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 2 */

  /* USER CODE END TIM2_Init 2 */

}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);

  /*Configure GPIO pin : PA0 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PA1 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

}

/* USER CODE BEGIN 4 */
#define sampling_timing_opt_us 1
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	uint8_t bytebit;
	static uint8_t bytebit_s;
	if(htim==&htim2)
	{
		  switch(rx_status)
		  {
		  case 0:{
	              bytebit = RBIT;
			      if(bytebit==0)
			      {
			    	  rx_status = 1;
			      }
				  break;
			     }
		  case 1:{//start bit
			      rx_status ++;
			      rxd[rxd_index] = 0;
			      break;
		         }
		  case 2:{//bit 1
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
			     bytebit = RBIT;
	             (bytebit==0)?(rxd[rxd_index]>>=1):(rxd[rxd_index]=(rxd[rxd_index]>>1)|0x80);
	             rx_status ++;
	             break;
		         }
		  case 4:{//bit 2
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
	             bytebit = RBIT;
	             (bytebit==0)?(rxd[rxd_index]>>=1):(rxd[rxd_index]=(rxd[rxd_index]>>1)|0x80);
	             rx_status ++;
	             break;
		         }
		  case 6:{//bit 3
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
	             bytebit = RBIT;
	             (bytebit==0)?(rxd[rxd_index]>>=1):(rxd[rxd_index]=(rxd[rxd_index]>>1)|0x80);
	             rx_status ++;
	             break;
		         }
		  case 8:{//bit 4
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
	             bytebit = RBIT;
	             (bytebit==0)?(rxd[rxd_index]>>=1):(rxd[rxd_index]=(rxd[rxd_index]>>1)|0x80);
	             rx_status ++;
	             break;
		         }
		  case 10:{//bit 5
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
	             bytebit = RBIT;
	             (bytebit==0)?(rxd[rxd_index]>>=1):(rxd[rxd_index]=(rxd[rxd_index]>>1)|0x80);
	             rx_status ++;
	             break;
		         }
		  case 12:{//bit 6
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
	             bytebit = RBIT;
	             (bytebit==0)?(rxd[rxd_index]>>=1):(rxd[rxd_index]=(rxd[rxd_index]>>1)|0x80);
	             rx_status ++;
	             break;
		         }
		  case 14:{//bit 7
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
	             bytebit = RBIT;
	             (bytebit==0)?(rxd[rxd_index]>>=1):(rxd[rxd_index]=(rxd[rxd_index]>>1)|0x80);
	             rx_status ++;
	             break;
		         }
		  case 16:{//bit 8
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
	             bytebit = RBIT;
	             (bytebit==0)?(rxd[rxd_index]>>=1):(rxd[rxd_index]=(rxd[rxd_index]>>1)|0x80);
	             rx_status ++;
	             break;
		         }
		  case 18:{//stop bit
			     PY_Delay_us_t(sampling_timing_opt_us);
			     bytebit = RBIT;
	             if(bytebit==1)
	             {
	            	 bytebit_s = rxd[rxd_index];
	                 tx_status = 1; //Sending enable for loop-back test

	            	 if(rxd_index==(buff_len-1)) rxd_index=0;
	            	 else rxd_index++;
	             }
	             rx_status = 0;
			     break;
		         }
		  default: {
			     rx_status++;
			     break;
		         }
		  }

		  switch(tx_status)
		  {
		  case 0:{
			      TDH;
			      break;
		          }
		  case 2:{//start bit
	              TDL;
	              tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 4:{//bit 1
	             if((bytebit_s&0x01)==0) TDL;
	             else TDH;
	             bytebit_s >>= 1;
	             tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 6:{//bit 2
	             if((bytebit_s&0x01)==0) TDL;
	             else TDH;
	             bytebit_s >>= 1;
	             tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 8:{//bit 3
	             if((bytebit_s&0x01)==0) TDL;
	             else TDH;
	             bytebit_s >>= 1;
	             tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 10:{//bit 4
	             if((bytebit_s&0x01)==0) TDL;
	             else TDH;
	             bytebit_s >>= 1;
	             tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 12:{//bit 5
	             if((bytebit_s&0x01)==0) TDL;
	             else TDH;
	             bytebit_s >>= 1;
	             tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 14:{//bit 6
	             if((bytebit_s&0x01)==0) TDL;
	             else TDH;
	             bytebit_s >>= 1;
	             tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 16:{//bit 7
	             if((bytebit_s&0x01)==0) TDL;
	             else TDH;
	             bytebit_s >>= 1;
	             tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 18:{//bit 8
	             if((bytebit_s&0x01)==0) TDL;
	             else TDH;
	             bytebit_s >>= 1;
	             tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 20:{//stop bit
			      TDH;
			      tx_status ++;
			      break;
		         }
		  case 22:{//stop
			      tx_status = 0;
			      break;
		         }
		  default: {
			     tx_status++;
			     break;
		         }
		  }


	}

}
/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

测试效果

通过串口工具向例程芯片快速多次点击发送数据，采用外部时钟时得到回送的数据无误码：
在这里插入图片描述

作为比较，采用内部时钟配置时，测试会出现误码：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
–End–

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