GPIO模拟USART

### 使用GPIO模拟USART通信

在嵌入式系统中，使用GPIO模拟USART（通用异步收发传输器）通信是一种常见的技术，尤其当硬件资源有限或特定应用需求时。这种方法允许开发者深入了解UART协议和GPIO的工作机制[^1]。

#### GPIO模拟USART的关键概念

- **波特率设置**：波特率决定了每秒传输的数据位数。为了实现精确的定时控制，通常会利用微控制器内部的定时器中断来管理发送和接收的时间间隔。

- **起始位与停止位**：每次数据帧由一个低电平的起始位开始，在最后一个数据位之后跟随高电平的停止位结束。这有助于同步发送方和接收方之间的通讯过程。

- **奇偶校验**：可选功能用于错误检测；如果启用，则会在数据后面附加一位作为校验码。

#### 实现方法概述

通过配置指定引脚为推挽输出模式（TXD），另一个设为上拉输入模式（RXD）。对于发送操作来说，程序按照设定好的波特率周期性改变TXD的状态以形成字符流；而接收端则持续监测RXD上的变化情况并解析收到的信息片段。

#### 示例代码展示

下面给出了一段基于STM32平台下的简单C语言示例代码，展示了如何用软件方式完成基本的单字节发送：

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define UART_BAUDRATE 9600U
#define SYSCLK_FREQ_HZ 72000000UL

void delay_us(uint32_t us);
void init_gpio(void);

// 初始化GPIO引脚
void init_gpio(void){
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // 配置PA2(TX), PA3(RX)为复用推挽/浮空输入模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; 
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_3;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 发送一字节函数
void send_byte(uint8_t data){
    uint16_t bit_time = (SYSCLK_FREQ_HZ / UART_BAUDRATE); 

    // 起始位(低电平)
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(bit_time);

    // 数据位(低位先传)
    for(int i=0;i<8;i++){
        if(data & 0x01){
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
        }else{
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
        }
        delay_us(bit_time);
        data >>= 1;
    }

    // 停止位(高电平)
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(bit_time);
}

int main(){
    init_gpio();

    while(1){
        send_byte('H'); // 测试发送'H'
        HAL_Delay(1000); // 每隔一秒发送一次
    }
}

此代码实现了最基本的字符发送逻辑，并未涉及复杂的握手协议或其他高级特性。实际应用场景下还需要考虑更多因素如噪声抑制、多字节连续传送等。