在STM32上实现高性能模拟UART

bigk2000 · 发表于 2018-12-22 14:31:09

本帖最后由 bigk2000 于 2018-12-22 14:37 编辑

最近的一个项目上要2个UART，我用的STM32F103上有2个，但其中一个的IO被其他功能占用且不能调整；
虽然波特率为9600，但由于CPU关键任务是FOC电机控制，经过评估，使用CPU直接操作IO的方式时，我无法保证通信的可靠性；
经过一番思考，灵感来袭，于是就有了这个帖子。

使用IO模拟UART并不复杂，但如何做到高性能的模拟UART则是一个挑战；

是否有可能使纯软件模拟的UART满足以下特性：
1，全双工，半双工均可；
2，最大波特率可达115200及以上，甚至可以做到512000；
3，任意IO模拟TX RX；
4，发送时序可做到0误差；
5，CPU负载率小；

下面来探讨如何在STM32上实现满足以上特性的模拟UART。

基本思路：
  使用定时器触发DMA的方式模拟UART的收发；

具体实现，以通讯格式9600,8N1为例：
  将TIM2（或TIM3）的周期设为波特率周期约104us，设一个通道的比较匹配值为52us；
  发送时，仅开启计数溢出触发DMA，设置DMA搬运次数为10（1个起始位， 8个数据位，1个停止位），格式化要发送的数据保存到发送数组中（注解），
  设置DMA把发送数组的数据搬运到GPIO；
  然后启动定时器，当DMA搬运完成时，这个字节就发送完毕了；
  接收时，仅开启计数匹配触发DMA，设置DMA搬运次数为10，设置DMA把GPIO搬运到接收数组，设置RX脚下降沿触发IO中断；
  当IO中断触发时，清零定时器并启动；  当DMA搬运完成中断触发时，停止定时器，此时字节已经接收完毕；

  注解：
以TX脚位为PIN4，发送0x23为例，定义一个10元素的数组，元素长度为16bit（对应GPIO位宽）；
格式化后的10个元素依次为：
起始位  ：XXXX XXXX XXX0 XXXX
数据位0：XXXX XXXX XXX0 XXXX
数据位1：XXXX XXXX XXX1 XXXX
数据位2：XXXX XXXX XXX0 XXXX
数据位3：XXXX XXXX XXX0 XXXX
数据位4：XXXX XXXX XXX1 XXXX
数据位5：XXXX XXXX XXX1 XXXX
数据位6：XXXX XXXX XXX0 XXXX
数据位7：XXXX XXXX XXX0 XXXX
停止位  ：XXXX XXXX XXX1 XXXX

  另注：用DMA直接搬运数据到IO会干扰GPIO上其他处于输出状态的IO，
   解决这个问题有2个办法：
   1，使用其他IO都是输入模式的GPIO作为TX脚（如STM32的GPIOC和GPIOD，pin脚少，容易实现仅一个输出模式的IO）；
   2，把DMA的目标地址设为GPIO_BSRR即可，但要注意数组格式化的方法不同，元素长度变为32bit，要置位pin脚时使用低16bit，清零pin脚时用高16bit；

程序代码：
  我已经在工程中验证了这个方法的可行性，经过测试，收发在115200时无误码（高波特率接收时，IO下降沿中断和接收完毕中断的优先级要高）；
  这里暂不提供DEMO了。。。。（坑啊。。。）

缺点：
  需要使用1个定时器，2个DMA通道；
  并非严格意义的全双工，使用1个定时器时，收发不能同时进行；（要实现同时收发，可以使用2个定时器分别触发DMA）

总结：
  发送时，CPU只要启动定时器就可以了，发送完成时可以不使用DMA中断，使用查询就可以；
  接收时，起始位的下降沿触发IO中断时，需要进入中断开启定时器，字节接收完成时也需要进入DMA中断读取接收到的字节；
  因此CPU只要在收发开始和结束时干预一下就好了；
  通过把DMA的目标地址设为GPIO_BSRR可以实现任意IO作为TX,RX脚；
  经过测量，应该是可以实现512000波特率收发的，但未验证；
  本方法可以用在有空闲定时器和DMA的任何MCU上；

KongQuan · 发表于 2018-12-22 14:41:40

一个定时器就可以，使用3倍速率中断，在51上测试过， STC时钟11.0592MHz， 19200稳定。
STM32上也做个一个产品，只使用了9600，很稳定。

bigk2000 · 发表于 2018-12-22 14:45:26

KongQuan 发表于 2018-12-22 14:41
一个定时器就可以，使用3倍速率中断，在51上测试过， STC时钟11.0592MHz， 19200稳定。
STM32上也做个一个 ...

考虑过这个方法，但由于有电机控制会严重影响时序，
这个方法发送还好，接收就不可靠了；

负西弱 · 发表于 2018-12-22 15:00:13

个人觉得如果这个单片机本来就没有2个串口可用，那无话可说；然而单片机本来就有2个串口可用，却因为其中一个的IO被其他功能占用且不能调整，这是严重失误了

bigk2000 · 发表于 2018-12-22 15:02:00

负西弱发表于 2018-12-22 15:00
个人觉得如果这个单片机本来就没有2个串口可用，那无话可说；然而单片机本来就有2个串口可用，却因为其中一 ...

嗯，同意你的话
但，实际是那2个IO必须用来控制电机

xfdr · 发表于 2018-12-22 15:15:21

bigk2000 发表于 2018-12-22 15:02
嗯，同意你的话
但，实际是那2个IO必须用来控制电机

那两个io能做的其它io不能做？

bigk2000 · 发表于 2018-12-22 15:18:04

本帖最后由 bigk2000 于 2018-12-22 15:28 编辑

xfdr 发表于 2018-12-22 15:15
那两个io能做的其它io不能做？

6个IO链接定时器用来控制电机，输出严格的PWM
10个模拟通道用来AD采样
能用的TX,RX只有一组，IO映射也组不出第二组

saccapanna · 发表于 2018-12-22 15:36:32

另注：用DMA直接搬运数据到IO会干扰GPIO上其他处于输出状态的IO，
____________

别的不评价，只提醒一点，F103的寄存器是可以位寻址的，操作位带，完全不影响其他IO。

bigk2000 · 发表于 2018-12-22 15:38:20

saccapanna 发表于 2018-12-22 15:36
另注：用DMA直接搬运数据到IO会干扰GPIO上其他处于输出状态的IO，
____________

DMA无法访问位带。。。

saccapanna · 发表于 2018-12-22 15:50:23

bigk2000 发表于 2018-12-22 15:38
DMA无法访问位带。。。

从 RAM 到位带，不可以DMA吗？这个还真不知道了，有需要的写代码试试，我暂时不想试，用不到这种操作。

chunjiu · 发表于 2018-12-22 15:59:46

我也做过，如果要考虑纠错的话，不应该超过 9600，不然可靠性会下降很多。

Eworm001 · 发表于 2018-12-22 16:04:58

dma到bitband地址，

bigk2000 · 发表于 2018-12-22 16:35:23

chunjiu 发表于 2018-12-22 15:59
我也做过，如果要考虑纠错的话，不应该超过 9600，不然可靠性会下降很多。 ...

上述方法，发送可说是0误差的；
接收时，误差在于起始位的下降沿到启动定时器的时间差，
最小可以控制在1us以内，最大（被其他高级中断打断）在我的电机控制中为25us以内，因此9600的波特率完全不会有误码；
时间差太大时可以把定时器的匹配值设小，比如原来的52us改为30us；

我特意测量过，从起始位下降沿到启动定时器最小可以0.5us，因此我说512000的波特率也是可以的；

如果再深入探讨，还可以更高的波特率：
使用另外一个定时器的输入捕捉功能，检测到下降沿触发DMA，DMA启动接收定时器，后面就自动接收了；
但这时一个字节接收完毕时，要在DMA完成中断里解析出该字节放到FIFO时，可能耗时太长，超出一个停止位的时间，导致下个字节已经开始发送了，但接收准备工作还没来得及做；
但仍有弥补办法，把接收的数据暂时不解析，而是放在大数组里，等所有字节都接收完一次解析；
为了减小数组大小，可以选择GPIO中的pin0-pin7作为TX,RX；
至此，模拟UART已经是极致了。。。

gaolf_2012 · 发表于 2018-12-22 16:42:07

用spi+dma模拟uart感觉会更好

chunjiu · 发表于 2018-12-22 16:55:22

bigk2000 发表于 2018-12-22 16:35
上述方法，发送可说是0误差的；
接收时，误差在于起始位的下降沿到启动定时器的时间差，
最小可以控制在1 ...

不仅仅是边沿误差，还有采样中的干扰需要考虑，

我原来的做法是采三个样，有两个高电平才能是高电平，否则是低电平。

这样才能过滤信号线上的偶发干扰。

你仔细研究一下 UART 的硬件，有一些值得注意的地方。

bigk2000 · 发表于 2018-12-22 17:00:11

chunjiu 发表于 2018-12-22 16:55
不仅仅是边沿误差，还有采样中的干扰需要考虑，

我原来的做法是采三个样，有两个高电平才能是高电平，否 ...

恩，我这个办法做不到多次采样

q457344370 · 发表于 2018-12-22 18:03:44

有用过定时器的输入捕获和输出比较做过模拟串口，会比三倍采样节省资源

TKZXJ · 发表于 2018-12-23 09:45:30

总感觉软件模拟的很占MCU。

sme · 发表于 2018-12-23 11:11:59

saccapanna 发表于 2018-12-22 15:36
另注：用DMA直接搬运数据到IO会干扰GPIO上其他处于输出状态的IO，
____________

bitband是CPU的功能，DMA和CPU无关。

mcu5i51 · 发表于 2018-12-23 11:32:35

定时器基准和中断接收，没有信号时不用计时，半双工完全可以，全双工要多倍的定时频率或双定时器，在8位简单的芯片上用过，接收时要注意采样位置

modbus · 发表于 2018-12-23 11:36:34

STM32F103我记得最少都是3个UART吧

linjpxt · 发表于 2018-12-23 12:22:48

接收因为要检测边沿,所以最好是用4倍采样到8倍采样,同时也因为两边时钟误差及干扰的存在所以需要做一些处理,最好不要用软件模拟,太消耗资源了.

Zwiic · 发表于 2018-12-23 19:20:42

UART用的16倍采样或8倍采样，这种IO模拟方式只能说能用。再说STM32串口不止2个吧。

bigk2000 · 发表于 2018-12-23 19:40:05

哎，自以为是害人不浅

snoopyzz · 发表于 2018-12-24 14:59:51

既然TIM和DMA都用了, 为啥操作BSRR...而不是tim相关?
单次脉冲模式了解一下, 我之前做过, 挺好用的, 接收是捕获DMA, 发送是单次脉冲DMA

bigk2000 · 发表于 2018-12-24 17:50:59

snoopyzz 发表于 2018-12-24 14:59
既然TIM和DMA都用了, 为啥操作BSRR...而不是tim相关?
单次脉冲模式了解一下, 我之前做过, 挺好用的, 接收是 ...

TIM相关就不能任意IO了；
操作BSRR就是为了任意IO，且不影响其他处于输出态的IO；

接收是捕获DMA, 发送是单次脉冲DMA？
用输入捕捉模式触发DMA？也是可以的，但IO不能任意；

bigk2000 · 发表于 2018-12-24 17:53:18

linjpxt 发表于 2018-12-23 12:22
接收因为要检测边沿,所以最好是用4倍采样到8倍采样,同时也因为两边时钟误差及干扰的存在所以需要做一些处理 ...

多次采样太消耗CPU了，
在干扰多的时候多次采样是必须的

snoopyzz · 发表于 2018-12-25 09:34:49

bigk2000 发表于 2018-12-24 17:50
TIM相关就不能任意IO了；
操作BSRR就是为了任意IO，且不影响其他处于输出态的IO；

是不能任意, 但省些RAM, DMA的内容是时间长度, 你这样buff区太大了, 数据量大波特率也很难做高

我做到921600

yujintian · 发表于 2018-12-25 09:59:18

感谢楼主和snoopyzz,刚好有项目需要用到，太及时了！

bigk2000 · 发表于 2018-12-25 11:42:39

snoopyzz 发表于 2018-12-25 09:34
是不能任意, 但省些RAM, DMA的内容是时间长度, 你这样buff区太大了, 数据量大波特率也很难做高

我做到92 ...

不错

bigk2000 · 发表于 2018-12-25 11:43:38

yujintian 发表于 2018-12-25 09:59
感谢楼主和snoopyzz,刚好有项目需要用到，太及时了！

哈哈
低容量STM32上，可以模拟出来3个

bigk2000 · 发表于 2018-12-25 12:13:58

snoopyzz 发表于 2018-12-25 09:34
是不能任意, 但省些RAM, DMA的内容是时间长度, 你这样buff区太大了, 数据量大波特率也很难做高

我做到92 ...

接收如何做到这么高波特率？
刚收到的字节在解析，下个字节可能就来了，
或者用13楼的方法？

资深雨粉 · 发表于 2018-12-26 08:52:10

要我说，直接换一块stm32f2的芯片，5个串口随便用

nongxiaoming · 发表于 2018-12-26 11:50:05

资深雨粉发表于 2018-12-26 08:52
要我说，直接换一块stm32f2的芯片，5个串口随便用

是6个串口

nongxiaoming · 发表于 2018-12-26 11:51:49

用TIM的边缘触发中断，可以设置硬件滤波。效果比GPIO中断好很多的。

linjpxt · 发表于 2019-1-4 12:56:12

bigk2000 发表于 2018-12-24 17:53
多次采样太消耗CPU了，
在干扰多的时候多次采样是必须的

不是干扰的问题,是时钟偏差的问题,两个系统的时钟有偏差,所以你要把采样点放在位的中间,而要做到这点,你需要比较准确的知道一个位的边沿.

tomzbj · 发表于 2019-1-4 13:23:11

elm-chan有，我在avr上试过好用，他也有stm32的版本。

myxiaonia · 发表于 2019-1-4 13:34:38

果然妙啊，思路不错，不过收发要把字节和位进行切换，如果你用位带模式，是不是就不需要这么切换了，stm32的灵活性真的不是盖的，定时器和dma都非常灵活

bigk2000 · 发表于 2019-1-4 17:12:37

linjpxt 发表于 2019-1-4 12:56
不是干扰的问题,是时钟偏差的问题,两个系统的时钟有偏差,所以你要把采样点放在位的中间,而要做到这点,你 ...

采样点不是问题；
低波特率可以偏多点；
高波特率接收时，要把起始位的边沿检测中断优先级设高点，或者定时器捕捉这个边沿；

bigk2000 · 发表于 2019-1-4 17:13:08

myxiaonia 发表于 2019-1-4 13:34
果然妙啊，思路不错，不过收发要把字节和位进行切换，如果你用位带模式，是不是就不需要这么切换了，stm32 ...

DMA不能访问位带

No.5 · 发表于 2019-1-4 17:44:26

高手，这是高手

styleno1 · 发表于 2019-1-4 21:37:39

DMA是可以做位宽转换的，用Pin0-7可以用字节，节省空间，之前用过定时器+DMA驱动IO。

tarchen · 发表于 2019-1-5 18:39:38

高手，这是高手

xinghuifly · 发表于 2019-1-7 15:45:30

优秀，厉害了

as9901 · 发表于 2019-1-8 11:08:16

你的系统内没有用到定时器么，把uart处理附在已有的定时后面可能更好些。

sup888 · 发表于 2019-1-22 23:46:57

tomzbj 发表于 2019-1-4 13:23
elm-chan有，我在avr上试过好用，他也有stm32的版本。

能不能给个链接看看，stm32版本的，谢谢

tomzbj · 发表于 2019-1-23 08:59:04

sup888 发表于 2019-1-22 23:46
能不能给个链接看看，stm32版本的，谢谢

附件是avr的, stm32的我没找着, 可能我记错了.
照着avr的改改就行了, 也不难吧.

sup888 · 发表于 2019-1-23 09:02:42

tomzbj 发表于 2019-1-23 08:59
附件是avr的, stm32的我没找着, 可能我记错了.
照着avr的改改就行了, 也不难吧. ...

谢谢，下载看了一下是汇编写的，头大

tomzbj · 发表于 2019-1-23 09:10:24

sup888 发表于 2019-1-23 09:02
谢谢，下载看了一下是汇编写的，头大

一共没几行吧, 随便找个avr的datasheet, 最后面都有指令集, 对照着看看就明白了.

不过lz还是选个uart多的mcu吧, 比如stm32f030cc, 有6个uart, stm32f091全系6或8个uart, f2xx/f405/f407都是6个, f427及以上都是8个.
或者直接上个CH438, 用8位并行总线转8个uart.
链接: http://www.wch.cn/products/CH438.html

liangws201 · 发表于 2019-2-12 15:23:23

KongQuan 发表于 2018-12-22 14:41
一个定时器就可以，使用3倍速率中断，在51上测试过， STC时钟11.0592MHz， 19200稳定。
STM32上也做个一个 ...

能否上次51的代码来学习、

KongQuan · 发表于 2019-2-12 21:10:50

liangws201 发表于 2019-2-12 15:23
能否上次51的代码来学习、

也是网上下载修改的，搜索一下就有。

xml2028 · 发表于 2019-2-15 07:36:41

正能用上

在STM32上实现高性能模拟UART

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