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Other Parts Discussed in Post: CONTROLSUITE, TMS320F28069M, LAUNCHXL-F28069M

作者： TI 北方區工程師 Young Hu 和 Jingyuan Zhao 

相關代碼下載鏈接： Example_2806xLEDBlink.c

引言：

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

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

一、測試相關環境

       測試相關的軟硬件環境如下表所示：

         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: icontrolSUITEdevice_supportf2806xv151F2806x_examples_ccsv5 imed_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的通信接口。SCI的數據幀格式，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 數據位：小端傳輸，先傳輸低位再傳輸高位。

• 1 bit奇偶校驗位（可選）：加上這一位后使數據位1的個數為奇數或者偶數。

• 1或2 bit停止位：一位或兩位邏輯1，表示傳輸結束。

圖1 SCI數據幀格式

1. 發送程序框圖和發送狀態機

發送使能后，CPU定時器打開，每隔8.67us(115200 bps)產生一次中斷，在定時器中斷發生時改變引腳的輸出電平實現數據發送。第一個定時器中斷時，發送引腳電平置低，標志數據發送開始。之后以小端模式從低位到高位依次發送數據位、校驗位。采用奇校驗時，數據按位異或的結果和校驗位的異或結果應為1；采用偶校驗時，數據按位異或的結果和校驗位的異或結果應為0。傳輸結束后，發送引腳輸出一位高電平，標志發送結束。

圖2發送程序框圖和發送狀態機

2. 接收程序框圖和接收狀態機

接收使能后，開啟外部中斷。SCI接收引腳在空閑狀態下處于高電平，接收數據的起始位為低電平。由于數據到來時間的不確定，故采用外部中斷下降沿觸發的方式檢測數據傳輸的起始位。外部中斷檢測到下降沿后，標志數據傳輸開始。此時先延時4us，等待信號電平穩定，然后關閉外部中斷，打開定時器。與發送相同，定時器每8.67us產生一次中斷。每次中斷產生時，對接收引腳的電平進行采樣，依次接收數據位、校驗位和停止位。當所有數據接收完成后，關閉定時器，等待接收下次使能。

圖3接收程序框圖和接收狀態機

3. 功能描述

         波特率： 115200 bps (可調)， 停止位：1 bit，數據位：1-8 bit，校驗位：無校驗、奇校驗或偶校驗。可根據實際需求在宏定義中修改recvBuffLen確定接收緩沖區大小：

1. #define recvBuffLen 800  

以接收緩沖區大小為800 Bytes為例，每當程序從GPIO0接收滿800 Bytes數據后，就會把全部接收到的數據通過GPIO32發出。

三、API

1. 宏定義

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

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

3. #define recvBuffLen 25   // receive buffer size  

       parity：校驗位。可設置為0：無校驗，1：奇校驗，2：偶校驗。

       dataLength：數據位長度，可配置為1-8比特。

       recvBuffLen：接收緩沖區大小，通常可設置為數據包長度。

2. 全局變量

1. // software sci mode  

2. // 0: rx 1: tx  

3. Uint16 swSciMode = 0;  

5. // rx data & state  

6. Uint16 rxData = 0;  

7. Uint16 rxState = 0;  

8. Uint16 rxError = 0;  

10. // tx data & state 

11. Uint16 txData = 0; 

12. Uint16 txState = 0;  

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

       rxData：從GPIO接收到的單字節數據。

       rxState：接收程序狀態機狀態，0-3為有效狀態，詳見圖3。

       rxError：接收錯誤指示標志，在調用接收相關API后值會相應改變，需手動清零。具體定義如下：

       txData：從GPIO發送到的單字節數據。

       txState：發送程序狀態機狀態，0-5為有效狀態，詳見圖2。

3. 函數

1. // Software SCI related functions  

2. Uint16 sw_sci_recv_byte(void);  

3. void sw_sci_recv_bytes(Uint16* dataBuff, Uint16 len);  

4. void sw_sci_send_byte(Uint16 data);  

5. void sw_sci_send_bytes(Uint16* dataBuff, Uint16 len);  

6. void sw_sci_send_string(char* txString);  

四、測試

1. 波特率及CPU負載測試

       為測試軟件SCI的性能，本例程額外使用了GPIO32作為測試引腳用于指示程序狀態。當程序進入軟件SCI定時器中斷時，GPIO32輸出高電平；其余時間GPIO32輸出低電平。圖4為8位數據位、1位奇校驗、1位停止位、115200波特率下，發送0x55時TX引腳（藍線）和測試引腳（黃線）的波形。從圖中可以看出，實際發送波特率為116280bps，誤差0.9%。測試引腳的高電平持續時間和，即為軟件SCI發送單字節數據占用CPU的時間。經過測量，測試引腳高電平共持續10.32us，單字節理論發送時間為95.49us，故發送時CPU負載為10.8%。

圖4軟件串口例程發送測試

         圖5為8位數據位、1位奇校驗、1位停止位、115200波特率下，接收0x55時RX引腳（藍線）和測試引腳（黃線）的波形。經過測量，測試引腳高電平共持續7.2us，單字節理論接收時間為95.49us，故接收時CPU負載為7.5%。

圖5軟件串口例程接收測試

       在沒有示波器的情況下也可使用C2000 MCU內部的eCAP測量實際發送波特率和CPU負載。

2. 數據收發測試

       軟件串口例程配置為115200波特率、8bit數據位、1停止位、奇校驗，PC端串口助手采用相同配置時，數據可以正常收發：

圖6正常數據收發

       將串口助手軟件改為偶校驗，例程提示校驗位錯誤：

圖7校驗位檢錯

       軟件串口例程配置為無校驗位，串口助手采用奇校驗時，例程實際在接收結束位時接收到的是校驗位，此時例程提示結束位錯誤：

圖8停止位檢錯

         例程和串口助手采用相同配置時，以5Hz頻率發送800 Bytes數據包，收發正常：

圖9連續收發測試

五、注意事項

1. 改變通信波特率可通過調整CPU定時器的分頻系數實現。

       理論分頻系數 =  

       以LAUNCHXL-F28069M 為例，LAUNCHXL-F28069M主頻為90 MHz。理論分頻系數應為：

實際使用時由于系統時鐘會有誤差，推薦使用示波器測量實際輸出波特率對分頻系數進行調整。

2. TX引腳可根據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據起始位，所以只能在GPIO0-GPIO31中進行選擇。

3. 為節省硬件資源，接收和發送程序使用同一CPU定時器，所以僅能進行半雙工通信。若想實現全雙工通信可再多使用一個定時器將發送和接收分開。

六、待辦事項

1. 增加使用eCAP測量波特率和CPU負載功能。

2. 增加波特率自動校正功能。

Reference

[1] TMS320x2806x Piccolo Technical Reference Manual (spruh18g).

[2] ControlSUITE中cpu_timer和external_interrupt例程。