使用外部中断和CPU定时器将GPIO模拟成SCI接口的方法和例程

作者： TI 北方区工程师 Young Hu 和 Jingyuan Zhao

引言：

C2000 Piccolo系列MCU芯片内部一般都集成了1-2个硬件SCI （UART） 。有时出于成本或者Layout面积的考虑，只能选择小封装或资源较少的型号，那么就会出现硬件SCI不够用的情况。这时便可使用GPIO软件模拟成SCI接口。

本文给出了使用外部中断和CPU定时器将GPIO模拟成SCI接口的方法和例程。

一、测试相关环境

测试相关的软硬件环境如下表所示：

CCS Version6.2.0.00050

Compiler VersionTI v15.12.3.LTS

ControlSUITEV3.4.9

测试芯片型号TMS320F28069M

硬件环境LAUNCHXL-F28069M

GPIO引脚使用TX： GPIO33 RX： GPIO0

硬件资源使用CPU_Timer0， XINT3

您可以选择任意示例工程，这里选择的工程为timed_led_blink，它的工程文件的目录为：

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

在CCS中import该工程后，将Example_2806xLEDBlink.c替换为本文提供的源码即可。

二、 功能描述

SCI （Serial Communications Interface， 串行通信接口） 是一种双线异步串行接口，通常也被称为UART。SCI提供了与一些常用外设的通信接口。SCI的数据帧格式，如图1所示，通常由以下部分组成：

1 bit 起始位：一位逻辑0，表示传输开始。

1-8 bit 数据位：小端传输，先传输低位再传输高位。

1 bit奇偶校验位（可选）：加上这一位后使数据位1的个数为奇数或者偶数。

1或2 bit停止位：一位或两位逻辑1，表示传输结束。

图1 SCI数据帧格式

1. 发送程序框图和发送状态机

发送使能后，CPU定时器打开，每隔8.67us（115200 bps）产生一次中断，在定时器中断发生时改变引脚的输出电平实现数据发送。第一个定时器中断时，发送引脚电平置低，标志数据发送开始。之后以小端模式从低位到高位依次发送数据位、校验位。采用奇校验时，数据按位异或的结果和校验位的异或结果应为1；采用偶校验时，数据按位异或的结果和校验位的异或结果应为0。传输结束后，发送引脚输出一位高电平，标志发送结束。

2. 接收程序框图和接收状态机

接收使能后，开启外部中断。SCI接收引脚在空闲状态下处于高电平，接收数据的起始位为低电平。由于数据到来时间的不确定，故采用外部中断下降沿触发的方式检测数据传输的起始位。外部中断检测到下降沿后，标志数据传输开始。此时先延时4us，等待信号电平稳定，然后关闭外部中断，打开定时器。与发送相同，定时器每8.67us产生一次中断。每次中断产生时，对接收引脚的电平进行采样，依次接收数据位、校验位和停止位。当所有数据接收完成后，关闭定时器，等待接收下次使能。

3. 功能描述

波特率： 115200 bps （可调）， 停止位：1 bit，数据位：1-8 bit，校验位：无校验、奇校验或偶校验。可根据实际需求在宏定义中修改recvBuffLen确定接收缓冲区大小：

#define recvBuffLen 800

以接收缓冲区大小为800 Bytes为例，每当程序从GPIO0接收满800 Bytes数据后，就会把全部接收到的数据通过GPIO32发出。

三、API

1. 宏定义

#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：校验位。可设置为0：无校验，1：奇校验，2：偶校验。

dataLength：数据位长度，可配置为1-8比特。

recvBuffLen：接收缓冲区大小，通常可设置为数据包长度。

2. 全局变量

// 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：定义软件串口模式。为节省硬件资源，采用半双工模式。0为接收模式，1为发送模式。

rxData：从GPIO接收到的单字节数据。

rxState：接收程序状态机状态，0-3为有效状态，详见图3。

rxError：接收错误指示标志，在调用接收相关API后值会相应改变，需手动清零。具体定义如下：

0x000x010x020x03

接收正常校验错误未检测到停止位停止位+校验位错误

txData：从GPIO发送到的单字节数据。

txState：发送程序状态机状态，0-5为有效状态，详见图2。

3. 函数

// 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）;

函数名称功能描述

Uint16 sw_sci_recv_byte（void）返回GPIO0接收到的单字节数据。

void sw_sci_recv_bytes（Uint16*dataBuff， Uint16 len）从GPIO0接收len个字节数据存入缓冲区dataBuff中。

void sw_sci_send_byte（Uint16 data）;使用GPIO33发送单字节数据。

void sw_sci_send_bytes（Uint16* dataBuff， Uint16 len）使用GPIO33发送dataBuff中len个连续字节数据。

void sw_sci_send_string（char* txString）;使用GPIO33发送字符串txString。txString必须以\0结尾，方便用户调试使用。

四、测试

1. 波特率及CPU负载测试

为测试软件SCI的性能，本例程额外使用了GPIO32作为测试引脚用于指示程序状态。当程序进入软件SCI定时器中断时，GPIO32输出高电平；其余时间GPIO32输出低电平。图4为8位数据位、1位奇校验、1位停止位、115200波特率下，发送0x55时TX引脚（蓝线）和测试引脚（黄线）的波形。从图中可以看出，实际发送波特率为116280bps，误差0.9%。测试引脚的高电平持续时间和，即为软件SCI发送单字节数据占用CPU的时间。经过测量，测试引脚高电平共持续10.32us，单字节理论发送时间为95.49us，故发送时CPU负载为10.8%。

图4软件串口例程发送测试

图5为8位数据位、1位奇校验、1位停止位、115200波特率下，接收0x55时RX引脚（蓝线）和测试引脚（黄线）的波形。经过测量，测试引脚高电平共持续7.2us，单字节理论接收时间为95.49us，故接收时CPU负载为7.5%。

图5软件串口例程接收测试

在没有示波器的情况下也可使用C2000 MCU内部的eCAP测量实际发送波特率和CPU负载。

2. 数据收发测试

软件串口例程配置为115200波特率、8bit数据位、1停止位、奇校验，PC端串口助手采用相同配置时，数据可以正常收发：

将串口助手软件改为偶校验，例程提示校验位错误：

软件串口例程配置为无校验位，串口助手采用奇校验时，例程实际在接收结束位时接收到的是校验位，此时例程提示结束位错误：

例程和串口助手采用相同配置时，以5Hz频率发送800 Bytes数据包，收发正常：

五、注意事项

1. 改变通信波特率可通过调整CPU定时器的分频系数实现。

理论分频系数 =

以LAUNCHXL-F28069M 为例，LAUNCHXL-F28069M主频为90 MHz。理论分频系数应为：

实际使用时由于系统时钟会有误差，推荐使用示波器测量实际输出波特率对分频系数进行调整。

2. TX引脚可根据需求更改至任意引脚。RX引脚需要通过外部中断下降沿判断数据起始位，所以只能在GPIO0-GPIO31中进行选择。

3. 为节省硬件资源，接收和发送程序使用同一CPU定时器，所以仅能进行半双工通信。若想实现全双工通信可再多使用一个定时器将发送和接收分开。

六、待办事项

1. 增加使用eCAP测量波特率和CPU负载功能。

2. 增加波特率自动校正功能。

审核编辑：何安