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隨著單片機的使用日益頻繁，用其作前置機進行采集和通信也常見于各種應用，一般是利用前置機采集各種終端數據后進行處理、存儲，再主動或被動上報給管理站。這種情況下下，采集會需要一個串口，上報又需要另一個串口，這就要求單片機具有雙串口的功能，但我們知道一般的單片機只提供一個串口，那么另一個串口只能靠程序模擬。
1、串口傳輸協議
首先，必須要知道串口通訊時數據是怎樣傳輸的？這里以異步傳輸字符為例子，如下圖所示：
一般字符傳輸都采用：1位起始位，8位數據位，1位停止位，沒有校驗位 的形式傳輸，其他形式的這里不講。串口異步傳輸在空閑狀態時都必須是高電平。第一位傳輸的是起始位，起始位會將原來空閑時的高電平拉成低電平，起始位用來來標識數據開始傳輸，提示接收方準備開始接收數據；當接收方第一次檢測到一個下降沿時，就表示接收到了起始位。起始位后就是8位的數據位，接收方在接收每一位數據的時候會采集幾十次，如果結果都是低電平，則接收到的數據位0，如果結果都是高電平，則棘手到的數據位是1。1位停止位會將電平拉成高電平，以為接收下一個數據做準備。
2、IO模擬串口發送程序
IO口模擬串口發送數據，必須嚴格按照上面的異步傳輸協議。我們用偽代碼實現這一過程：
void VirtualCOM_ByteSend（u8 val）
{
u8 i;
IO_LOW（）; //起始位，拉低電平
Delay（sometime）;
for（i = 0; i 《 8; i++） //8位數據位
{
if（val & 0x01）
IO_HIGH（）;
else
IO_LOW（）;
Dealy（sometime）;
val 》》= 1;
}
IO_HIGH（）; //停止位，拉高電平
Delay（sometime）;
}
代碼很簡單，思路也很清晰，完全是按照異步傳輸的過程寫的。這里最重要的是Delay（sometime），sometime的延時時間就決定了傳輸的速度，sometime去取某些值才可以設置程序標準的串口波特率（1200、2400、9600、38400、115200等等）。
下面，我采用STM32開發板實現IO模擬串口發送。
?。?）選擇IO引腳設置為虛擬串口TX引腳
我選擇PA4引腳來模擬串口的TX引腳，所以需要配置下PA4這個引腳為推挽輸出：
#define COM_TX_PORT GPIOA
#define COM_TX_PIN GPIO_Pin_4
void VirtualCOM_TX_GPIOConfig（void）
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/* PA4最為數據輸出口，模擬TX */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = COM_TX_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init（COM_TX_PORT， &GPIO_InitStructure）;
GPIO_SetBits（COM_TX_PORT， COM_TX_PIN）;}
這里需要說明的是，在配置完引腳后，需要將PA4引腳拉高，這樣做是為了防止在發送數據起始位時，由于原來引腳是低電平而導致沒有產生一個下降沿信號。
（2）IO模擬串口發送一個字節
遵循串口異步傳輸協議，編寫了STM32上面的相應代碼：
#define COM_TX_PORT GPIOA
#define COM_TX_PIN GPIO_Pin_4
#define COM_DATA_HIGH（） GPIO_SetBits（COM_TX_PORT， COM_TX_PIN） //高電平
#define COM_DATA_LOW（） GPIO_ResetBits（COM_TX_PORT， COM_TX_PIN） //低電平
u32 delayTime;
void VirtualCOM_ByteSend（u8 val）
{
u8 i = 0;
COM_DATA_LOW（）; //起始位
Delay_us（delayTime）;
for（i = 0; i 《 8; i++） //8位數據位
{
if（val & 0x01） COM_DATA_HIGH（）;
else
COM_DATA_LOW（）;
Delay_us（delayTime）;
val 》》= 1;
}
COM_DATA_HIGH（）; //停止位
Delay_us（delayTime）;
}
（3）IO模擬串口發送字符串
既然發送一個字節的函數已將實現了，那么發送字符串函數就簡單了：
void VirtualCOM_StringSend（u8 *str）
{
while（*str ！= 0）
{
VirtualCOM_ByteSend（*str）;
str++;
}
}
3、IO模擬接收程序
接收的代碼比發送的代碼復雜些。先講講怎么IO口接收數據的思路。為了接收數據，IO引腳必須可以檢測到傳輸數據的起始位，檢測起始位其實相當于與要檢測一個下降沿信號，那么引腳只要配置成外部中斷模式就可以檢測到這個起始信號。然后根據傳輸速率配置一個相應時間定時的定時器。當檢測到起始信號后，打開該定時器，每隔一定時間就會進入定時器中斷，檢測當前的IO引腳高低電平，從而決定接收到的數據是‘1’還是‘0’。當第九次進入定時器中斷服務程序時，說明已經收到了一個字節的數據，此時關閉定時器。
下面在講講怎么在STM32開發板上實現這一過程。
?。?）選擇IO引腳模擬串口接收引腳RX
我選擇PA5來模擬串口的接收引腳RX，所以需要配置PA5為輸入模式，同時打開它的外部中斷。
#define COM_RX_PORT GPIOA
#define COM_RX_PIN GPIO_Pin_5v
oid VirtualCOM_RX_GPIOConfig（void）
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
/* PA5最為數據輸入，模擬RX */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = COM_RX_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init（COM_RX_PORT， &GPIO_InitStructure）;
EXTI_InitStruct.EXTI_Line=EXTI_Line5;
EXTI_InitStruct.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;//下降沿都中斷
EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd=ENABLE;
EXTI_Init（&EXTI_InitStruct）;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=EXTI9_5_IRQn; //外部中斷，邊沿觸發
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）;
}
（2）配置一個定時器用來定時接收數據
我配置TIM2定時器為一定的定時周期，在它的中斷服務程序中讀取串口發送過來數據。定時器配置代碼如下：
void TIM2_Configuration（u16 period）
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM2， ENABLE）;//使能TIM2的時鐘
TIM_DeInit（TIM2）; //復位TIM2定時器
TIM_InternalClockConfig（TIM2）; //采用內部時鐘給TIM2提供時鐘源
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; //預分頻系數為72，這樣計數器時鐘為72MHz/72 = 1MHz
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設置時鐘分頻
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//設置計數器模式為向上計數模式
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = period - 1; //設置計數溢出大小，每計period個數就產生一個更新事件
TIM_TimeBaseInit（TIM2，&TIM_TimeBaseStructure）; //將配置應用到TIM2中
TIM_ClearFlag（TIM2， TIM_FLAG_Update）; //清除溢出中斷標志
TIM_ITConfig（TIM2，TIM_IT_Update，ENABLE）; //開啟TIM2的中斷
TIM_Cmd（TIM2，DISABLE）; //關閉定時器
TIM2 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; //通道設置為TIM2中斷
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;//響應式中斷優先級0
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //打開中斷
NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）;
}
（3）IO口模擬串口接收功能的實現
IO口接收串口數據的功能是通過PA5引腳的外部中斷服務程序與定時器的中斷服務程序相互配合實現的。首先需要為數據定一些狀態機，方便標識接收到數據的狀態：
enum{
COM_START_BIT， //停止位
COM_D0_BIT， //bit0
COM_D1_BIT， //bit1
COM_D2_BIT， //bit2
COM_D3_BIT， //bit3
COM_D4_BIT， //bit4
COM_D5_BIT， //bit5
COM_D6_BIT， //bit6
COM_D7_BIT， //bit7
COM_STOP_BIT， //bit8};
定義好了狀態機，還需要一個變量，來保存這些狀態機的變化，并定義它的初始狀態為COM_STOP_BIT：
u8 recvStat = COM_STOP_BIT; //定義狀態機
下面是PA5的外部中斷服務程序，它的主要任務是檢測起始位，當他第一次檢測到下降沿，則說明數據即將到來，這時只要打開定時器就可以了：
#define COM_RX_STAT GPIO_ReadInputDataBit（COM_RX_PORT， COM_RX_PIN）void EXTI9_5_IRQHandler（void）
{
if（EXTI_GetITStatus（EXTI_Line5）！=RESET）
{
if（！COM_RX_STAT） //檢測引腳高低電平，如果是低電平，則說明檢測到下升沿
{
if（recvStat == COM_STOP_BIT） //狀態為停止位
{
recvStat = COM_START_BIT; //接收到開始位
Delay（1000）; //延時一定時間
TIM_Cmd（TIM2， ENABLE）; //打開定時器，接收數據
}
}
EXTI_ClearITPendingBit（EXTI_Line5）; //清除EXTI_Line1中斷掛起標志位
}
}
上面代碼中，檢測到下降沿并設置了狀態之后，延時了一定的時候，才打開定時器，這樣做的原因是讓定時器每次在信號的中間檢測，而不要在信號邊沿檢測。正如下面圖所示：
下面就是定時器的中斷服務程序，它主要是接收串口發送過來的數據，在它之前我們需要線定義一個變量用來保存接收到的數據：
u8 recvData;
然后，定時器中斷中，每收到1位數據就改變下狀態機并同時寫入這個recvData對應的數據位中，當收到8為數據后，然后關閉定時器定時，以等待新的數據到來：
void TIM2_IRQHandler（void）
{
if（TIM_GetITStatus（TIM2， TIM_IT_Update） ！= RESET） //檢測是否發生溢出更新事件
{
TIM_ClearITPendingBit（TIM2 ， TIM_FLAG_Update）;//清除中斷標志
recvStat++; //改變狀態機
if（recvStat == COM_STOP_BIT） //收到停止位
{
TIM_Cmd（TIM2， DISABLE）; //關閉定時器 return; //并返回
}
if（COM_RX_STAT） //‘1’
{
recvData |= （1 《《 （recvStat - 1））;
}
else //‘0’ { recvData &= ~（1 《《（recvStat - 1））;
}
}
}
4、一些精確延時與不精確延時的實現
上面代碼中，需要定義一個不精確定時與兩個精確定時，分別用在檢測到下降沿后延時一段時間在打開定時器和控制傳輸速率中：
void Delay（u32 t）{ while（t--）;
}
void Delay_us（u32 nus）
{
SysTick-》CTRL|=0x01; //開始倒數
while（！（SysTick-》CTRL&（1《《16）））;//等待時間到達
SysTick-》CTRL=0X00000000; //關閉計數器
SysTick-》VAL=0X00000000; //清空計數器
}
void Delay_ms（u16 nms）
{
SysTick-》LOAD=（u32）nms*9000; //給重裝載寄存器賦值，9000時，將產生1ms的時基
SysTick-》CTRL|=0x01; //開始倒數 while（?。⊿ysTick-》CTRL&（1《《16）））; //等待時間到達
SysTick-》CTRL=0X00000000; //關閉計數器 SysTick-》VAL=0X00000000; //清空計數器
}
5、編寫一個配置波特率的函數
這里能配置的只有300、600、1200三種波特率，其他的波特率我不想弄，也沒有必要弄。下面編寫一個初始化IO模擬的串口，包括引腳配置、波特率設置、定時時間設置等：
#define _300BuadRate 3150
#define _600BuadRate 1700
#define _1200BuadRate 800void
VirtualCOM_Config（u16 baudRate）
{
u32 period; VirtualCOM_TX_GPIOConfig（）;
VirtualCOM_RX_GPIOConfig（）;
if（baudRate == _300BuadRate） //波特率300 period = _300BuadRate + 250;
else if （baudRate == _600BuadRate） //波特率600 period = _600BuadRate + 50;
else if （baudRate == _1200BuadRate） //波特率1200 period = _1200BuadRate + 50;
TIM2_Configuration（period）; //設置對應模特率的定時器的定時時間
delayTime = baudRate; //設置IO串口發送的速率
}
要問上面的那些數字是怎么得來的，實話說：我是試出來，但是是有根據地試出來的。我以波特率為1200為例：IO串口發送函數VirtualCOM_ByteSend（）中，我們用Delay_us（delayTime）來控制傳輸的速率，如果波特率設為1200，則1/1200=830us相當于沒830us傳輸1bit數據，所以在delayTime理論上應該設為830才能保證以波特率1200的速率發送數據，但是由于發送是由代碼實現，有一定的延時，而不像真正串口通過移位寄存器發送那樣快速，所以需要將delayTime的值在830附近調整，最后我試出來delayTime=800時，正好實現了波特率為1200的速率發送。
同樣的，在IO串口接收時，需要設定定時周期，這個周期也是試出來的，但是也是有依據的。還是以1200波特率接收為例：理論上應該設置定時時間為1/1200=830us，則需要的定時值為72000000/（1/830us）=72*830，這里設置定時器的預分頻為72，則周期值應該為830，所以上面代碼中period的理論上應該等于830，但是接收是由代碼寫成的，有一定的延時，而不像真正串口一樣全部有硬件完成那樣快速，所以需要將period的值在830附近調整，最后試出來period=850時，可以正常接收串口發送過來的數據。
6、其他函數的編寫
首先需要編寫的BSP_Init（）函數，來初始化板子的其他一些外設的的初始化：
void BSP_Init（void）
{
static volatile ErrorStatus HSEStartUpStatus = SUCCESS;
RCC_DeInit（）; //默認配置SYSCLK， HCLK， PCLK2， PCLK1， 復位后就是該配置
RCC_HSEConfig（RCC_HSE_ON）; //使能外部高速晶振
HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp（）;//等待外部高速穩定
if（HSEStartUpStatus == SUCCESS）
{
FLASH_PrefetchBufferCmd（FLASH_PrefetchBuffer_Enable）;//使能flash預讀取緩沖區
FLASH_SetLatency（FLASH_Latency_2）; //令Flash處于等待狀態，2是針對高頻時鐘的
RCC_HCLKConfig（RCC_SYSCLK_Div1）; //HCLK = SYSCLK 設置高速總線時鐘=系統時鐘
RCC_PCLK2Config（RCC_HCLK_Div1）; //PCLK2 = HCLK 設置低速總線2時鐘=高速總線時鐘
RCC_PCLK1Config（RCC_HCLK_Div2）; //PCLK1 = HCLK/2 設置低速總線1的時鐘=高速時鐘的二分頻
RCC_PLLConfig（RCC_PLLSource_HSE_Div1，
RCC_PLLMul_9）; //PLLCLK = 8MHz * 9 = 72 MHz 利用鎖相環講外部8Mhz晶振9倍頻到72Mhz
RCC_PLLCmd（ENABLE）; //使能PLL鎖相環 while（RCC_GetFlagStatus（RCC_FLAG_PLLRDY） == RESET）{} //等待鎖相環輸出穩定 RCC_SYSCLKConfig（RCC_SYSCLKSource_PLLCLK）;//將鎖相環輸出設置為系統時鐘 while（RCC_GetSYSCLKSource（） ！= 0x08）{} //等待校驗成功 } //使能GPIO口所使用的時鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_GPIOF|RCC_APB2Periph_GPIOG， ENABLE）;
最后是main函數，main函數很簡單，只要調用配置IO串口的配置函數就可以了：
extern u8 recvData;int main（void）{ BSP_Init（）; VirtualCOM_Config（_600BuadRate）; //配置IO模擬串口的波特率為600 VirtualCOM_StringSend（“HelloWorld！\r\n”）; //發送“HelloWorld！”字符串 while（1） { VirtualCOM_ByteSend（recvData）; Delay（5000000）; }}
7、現象
首先。我們需要用TTL轉USB的串口線，連接到電腦，打開串口調試工具，設置波特率為600，1位停止位，然后就可以收到IO模擬串口發過來的“HelloWorld”，然后，我們發送一個字符‘a’過去，然后就會每間隔一段時間打印出該字符。如下圖所示：
工商網監
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