使用外部中斷和CPU定時(shí)器將GPIO模擬成SCI接口的方法和例程

作者： TI 北方區(qū)工程師 Young Hu 和 Jingyuan Zhao

引言：

C2000 Piccolo系列MCU芯片內(nèi)部一般都集成了1-2個(gè)硬件SCI （UART） 。有時(shí)出于成本或者Layout面積的考慮，只能選擇小封裝或資源較少的型號(hào)，那么就會(huì)出現(xiàn)硬件SCI不夠用的情況。這時(shí)便可使用GPIO軟件模擬成SCI接口。

本文給出了使用外部中斷和CPU定時(shí)器將GPIO模擬成SCI接口的方法和例程。

一、測(cè)試相關(guān)環(huán)境

測(cè)試相關(guān)的軟硬件環(huán)境如下表所示：

CCS Version6.2.0.00050

Compiler VersionTI v15.12.3.LTS

ControlSUITEV3.4.9

測(cè)試芯片型號(hào)TMS320F28069M

硬件環(huán)境LAUNCHXL-F28069M

GPIO引腳使用TX： GPIO33 RX： GPIO0

硬件資源使用CPU_Timer0， XINT3

您可以選擇任意示例工程，這里選擇的工程為timed_led_blink，它的工程文件的目錄為：

C：\ti\controlSUITE\device_support\f2806x\v151\F2806x_examples_ccsv5\timed_led_blink

在CCS中import該工程后，將Example_2806xLEDBlink.c替換為本文提供的源碼即可。

二、 功能描述

SCI （Serial Communications Interface， 串行通信接口） 是一種雙線異步串行接口，通常也被稱為UART。SCI提供了與一些常用外設(shè)的通信接口。SCI的數(shù)據(jù)幀格式，如圖1所示，通常由以下部分組成：

1 bit 起始位：一位邏輯0，表示傳輸開始。

1-8 bit 數(shù)據(jù)位：小端傳輸，先傳輸?shù)臀辉賯鬏敻呶弧?/p>

1 bit奇偶校驗(yàn)位（可選）：加上這一位后使數(shù)據(jù)位1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或者偶數(shù)。

1或2 bit停止位：一位或兩位邏輯1，表示傳輸結(jié)束。

圖1 SCI數(shù)據(jù)幀格式

1. 發(fā)送程序框圖和發(fā)送狀態(tài)機(jī)

發(fā)送使能后，CPU定時(shí)器打開，每隔8.67us（115200 bps）產(chǎn)生一次中斷，在定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)改變引腳的輸出電平實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。第一個(gè)定時(shí)器中斷時(shí)，發(fā)送引腳電平置低，標(biāo)志數(shù)據(jù)發(fā)送開始。之后以小端模式從低位到高位依次發(fā)送數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位。采用奇校驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)按位異或的結(jié)果和校驗(yàn)位的異或結(jié)果應(yīng)為1；采用偶校驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)按位異或的結(jié)果和校驗(yàn)位的異或結(jié)果應(yīng)為0。傳輸結(jié)束后，發(fā)送引腳輸出一位高電平，標(biāo)志發(fā)送結(jié)束。

2. 接收程序框圖和接收狀態(tài)機(jī)

接收使能后，開啟外部中斷。SCI接收引腳在空閑狀態(tài)下處于高電平，接收數(shù)據(jù)的起始位為低電平。由于數(shù)據(jù)到來時(shí)間的不確定，故采用外部中斷下降沿觸發(fā)的方式檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗嘉?。外部中斷檢測(cè)到下降沿后，標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸開始。此時(shí)先延時(shí)4us，等待信號(hào)電平穩(wěn)定，然后關(guān)閉外部中斷，打開定時(shí)器。與發(fā)送相同，定時(shí)器每8.67us產(chǎn)生一次中斷。每次中斷產(chǎn)生時(shí)，對(duì)接收引腳的電平進(jìn)行采樣，依次接收數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位。當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收完成后，關(guān)閉定時(shí)器，等待接收下次使能。

3. 功能描述

波特率： 115200 bps （可調(diào)）， 停止位：1 bit，數(shù)據(jù)位：1-8 bit，校驗(yàn)位：無校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)?？筛鶕?jù)實(shí)際需求在宏定義中修改recvBuffLen確定接收緩沖區(qū)大小：

#define recvBuffLen 800

以接收緩沖區(qū)大小為800 Bytes為例，每當(dāng)程序從GPIO0接收滿800 Bytes數(shù)據(jù)后，就會(huì)把全部接收到的數(shù)據(jù)通過GPIO32發(fā)出。

三、API

1. 宏定義

#define parity 1 // 0： no parity， 1： odd， 2： even

#define dataLength 8 // data bit length 1 - 8

#define recvBuffLen 25 // receive buffer size

parity：校驗(yàn)位?？稍O(shè)置為0：無校驗(yàn)，1：奇校驗(yàn)，2：偶校驗(yàn)。

dataLength：數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度，可配置為1-8比特。

recvBuffLen：接收緩沖區(qū)大小，通?？稍O(shè)置為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。

2. 全局變量

// software sci mode

// 0： rx 1： tx

Uint16 swSciMode = 0;

// rx data & state

Uint16 rxData = 0;

Uint16 rxState = 0;

Uint16 rxError = 0;

// tx data & state

Uint16 txData = 0;

Uint16 txState = 0;

swSciMode：定義軟件串口模式。為節(jié)省硬件資源，采用半雙工模式。0為接收模式，1為發(fā)送模式。

rxData：從GPIO接收到的單字節(jié)數(shù)據(jù)。

rxState：接收程序狀態(tài)機(jī)狀態(tài)，0-3為有效狀態(tài)，詳見圖3。

rxError：接收錯(cuò)誤指示標(biāo)志，在調(diào)用接收相關(guān)API后值會(huì)相應(yīng)改變，需手動(dòng)清零。具體定義如下：

0x000x010x020x03

接收正常校驗(yàn)錯(cuò)誤未檢測(cè)到停止位停止位+校驗(yàn)位錯(cuò)誤

txData：從GPIO發(fā)送到的單字節(jié)數(shù)據(jù)。

txState：發(fā)送程序狀態(tài)機(jī)狀態(tài)，0-5為有效狀態(tài)，詳見圖2。

3. 函數(shù)

// Software SCI related functions

Uint16 sw_sci_recv_byte（void）;

void sw_sci_recv_bytes（Uint16* dataBuff， Uint16 len）;

void sw_sci_send_byte（Uint16 data）;

void sw_sci_send_bytes（Uint16* dataBuff， Uint16 len）;

void sw_sci_send_string（char* txString）;

函數(shù)名稱功能描述

Uint16 sw_sci_recv_byte（void）返回GPIO0接收到的單字節(jié)數(shù)據(jù)。

void sw_sci_recv_bytes（Uint16*dataBuff， Uint16 len）從GPIO0接收len個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)dataBuff中。

void sw_sci_send_byte（Uint16 data）;使用GPIO33發(fā)送單字節(jié)數(shù)據(jù)。

void sw_sci_send_bytes（Uint16* dataBuff， Uint16 len）使用GPIO33發(fā)送dataBuff中l(wèi)en個(gè)連續(xù)字節(jié)數(shù)據(jù)。

void sw_sci_send_string（char* txString）;使用GPIO33發(fā)送字符串txString。txString必須以\0結(jié)尾，方便用戶調(diào)試使用。

四、測(cè)試

1. 波特率及CPU負(fù)載測(cè)試

為測(cè)試軟件SCI的性能，本例程額外使用了GPIO32作為測(cè)試引腳用于指示程序狀態(tài)。當(dāng)程序進(jìn)入軟件SCI定時(shí)器中斷時(shí)，GPIO32輸出高電平；其余時(shí)間GPIO32輸出低電平。圖4為8位數(shù)據(jù)位、1位奇校驗(yàn)、1位停止位、115200波特率下，發(fā)送0x55時(shí)TX引腳（藍(lán)線）和測(cè)試引腳（黃線）的波形。從圖中可以看出，實(shí)際發(fā)送波特率為116280bps，誤差0.9%。測(cè)試引腳的高電平持續(xù)時(shí)間和，即為軟件SCI發(fā)送單字節(jié)數(shù)據(jù)占用CPU的時(shí)間。經(jīng)過測(cè)量，測(cè)試引腳高電平共持續(xù)10.32us，單字節(jié)理論發(fā)送時(shí)間為95.49us，故發(fā)送時(shí)CPU負(fù)載為10.8%。

圖4軟件串口例程發(fā)送測(cè)試

圖5為8位數(shù)據(jù)位、1位奇校驗(yàn)、1位停止位、115200波特率下，接收0x55時(shí)RX引腳（藍(lán)線）和測(cè)試引腳（黃線）的波形。經(jīng)過測(cè)量，測(cè)試引腳高電平共持續(xù)7.2us，單字節(jié)理論接收時(shí)間為95.49us，故接收時(shí)CPU負(fù)載為7.5%。

圖5軟件串口例程接收測(cè)試

在沒有示波器的情況下也可使用C2000 MCU內(nèi)部的eCAP測(cè)量實(shí)際發(fā)送波特率和CPU負(fù)載。

2. 數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試

軟件串口例程配置為115200波特率、8bit數(shù)據(jù)位、1停止位、奇校驗(yàn)，PC端串口助手采用相同配置時(shí)，數(shù)據(jù)可以正常收發(fā)：

將串口助手軟件改為偶校驗(yàn)，例程提示校驗(yàn)位錯(cuò)誤：

軟件串口例程配置為無校驗(yàn)位，串口助手采用奇校驗(yàn)時(shí)，例程實(shí)際在接收結(jié)束位時(shí)接收到的是校驗(yàn)位，此時(shí)例程提示結(jié)束位錯(cuò)誤：

例程和串口助手采用相同配置時(shí)，以5Hz頻率發(fā)送800 Bytes數(shù)據(jù)包，收發(fā)正常：

五、注意事項(xiàng)

1. 改變通信波特率可通過調(diào)整CPU定時(shí)器的分頻系數(shù)實(shí)現(xiàn)。

理論分頻系數(shù) =

以LAUNCHXL-F28069M 為例，LAUNCHXL-F28069M主頻為90 MHz。理論分頻系數(shù)應(yīng)為：

實(shí)際使用時(shí)由于系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)有誤差，推薦使用示波器測(cè)量實(shí)際輸出波特率對(duì)分頻系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2. TX引腳可根據(jù)需求更改至任意引腳。RX引腳需要通過外部中斷下降沿判斷數(shù)據(jù)起始位，所以只能在GPIO0-GPIO31中進(jìn)行選擇。

3. 為節(jié)省硬件資源，接收和發(fā)送程序使用同一CPU定時(shí)器，所以僅能進(jìn)行半雙工通信。若想實(shí)現(xiàn)全雙工通信可再多使用一個(gè)定時(shí)器將發(fā)送和接收分開。

六、待辦事項(xiàng)

1. 增加使用eCAP測(cè)量波特率和CPU負(fù)載功能。

2. 增加波特率自動(dòng)校正功能。

審核編輯：何安