# 引言 在嵌入式开发中，串口通信是基础且常用的接口。然而，许多微控制器（如 Arduino Uno 的 ATmega328P）仅提供 1-2 个硬件 UART，当需要连接多个串口设备（如 GPS、蓝牙、传感器模块）时，硬件资源捉襟见肘。软件串口（Software Serial）应运而生，它通过 GPIO 引脚和定时器模拟 UART 协议。 传统软件串口（如 Arduino 官方 SoftwareSerial 库）采用**阻塞式位采样**：发送或接收时，通过 `delayMicroseconds()` 精确延时，期间 CPU 被完全占用，无法处理其他任务。这在多任务场景下会引发严重问题，例如中断响应延迟、数据丢失等。 本文提出一种**非阻塞式软件串口**实现方案，利用定时器输入捕获（Input Capture）功能，在硬件层面自动记录引脚电平变化的时间戳，配合状态机解析，实现位级采样，从而释放 CPU 资源。 # 原理讲解 ## UART 协议基础 UART 帧格式：起始位（低电平）、8 个数据位（LSB 先发）、可选校验位、停止位（高电平）。空闲时，TX 线保持高电平。接收端需要以波特率（如 9600bps）为周期采样每个位。 ## 阻塞式 vs 非阻塞式 - **阻塞式**：接收时，检测到起始位下降沿后，循环延时采样每个位。期间无法响应其他中断，CPU 利用率低。 - **非阻塞式**：利用定时器输入捕获中断，每当引脚电平变化（上升沿或下降沿）时，硬件自动记录当前定时器计数值并触发中断。软件在中断中记录边沿时间，通过分析边沿间隔还原数据位。 ## 定时器输入捕获原理 以 Arduino Uno（ATmega328P）为例，定时器 1 是 16 位定时器，支持输入捕获单元。将 RX 引脚连接到 ICP1（Pin 8），配置定时器 1 为普通模式，开启输入捕获中断。当引脚发生指定边沿（如下降沿）时，定时器计数器值被复制到 ICR1 寄存器，并触发中断。 通过记录连续边沿的时间差，可以判断每个位的持续时间。例如，波特率 9600 时，位时间约为 104.17μs。若检测到两个下降沿间隔约为 1 个位时间，则中间为 0；若间隔为 2 个位时间，则中间为连续的 0（如 0b00）。 # 配置步骤 1. **硬件连接**：将外部设备的 TX 引脚连接到 Arduino 的 Pin 8（ICP1），共地。 2. **定时器配置**： - 设置定时器 1 为普通模式，预分频为 8（计数频率 2MHz，分辨率 0.5μs）。 - 开启输入捕获中断（TIMSK1 |= (1<>= 1; // LSB先发，所以右移 // 注意：当前位是0，无需置位 bit_count++; } } // 当前下降沿对应的位是0（因为下降沿表示该位为0） if (bit_count < 8) { current_byte >>= 1; bit_count++; } // 如果已接收8位，则等待停止位（上升沿） if (bit_count == 8) { // 停止位应为高电平，但这里我们通过下一次上升沿确认 // 简单处理：直接认为接收完成，实际应用中可校验停止位 rx_byte = current_byte; rx_ready = 1; state = 0; // 回到IDLE } } } void loop() { if (rx_ready) { rx_ready = 0; Serial.print("收到: 0x"); Serial.println(rx_byte, HEX); } // 其他任务可以在这里执行，不会阻塞 } ``` # 注意事项 - **定时器溢出处理**：上述代码未处理定时器溢出（16位计数器溢出约32.7ms），在低波特率或长空闲时可能出错。建议在溢出中断中扩展高位，或使用更高预分频。 - **边沿检测**：本方案仅依赖下降沿，对于连续0的位（如0x00）需要计算间隔，但若出现连续多个0，间隔会较长，需确保定时器不溢出。 - **波特率误差**：晶振误差和预分频会导致位时间偏差，建议使用误差小于2%的晶振，并在代码中微调BIT_TIME。 - **中断优先级**：输入捕获中断应具有较高优先级，避免被其他中断延迟导致时间戳不准确。 - **发送方向**：本文仅实现接收，发送可类似使用定时器比较输出（CTC模式）或占用CPU，但通常发送不频繁，阻塞影响较小。 # 总结 基于定时器输入捕获的软件串口，利用硬件自动记录边沿时间，配合状态机解析，实现了非阻塞式接收。这种方法显著提高了 CPU 利用率，使 Arduino 能够同时处理多个串口通信和其他实时任务。开发者可根据实际需求扩展为完整收发功能，并优化溢出处理。掌握这一技巧，将极大提升嵌入式系统的通信设计能力。