如何实现UART的分时复用

实际应用中经常会遇到微控制器（MCU）内置的UART个数不足的情况，通常有几种处理方式可供选择：

1. 重新选择一款拥有更多UART的芯片，但这样做会增加成本。
2. 外部添加接口转换芯片，例如SPI/I2C转UART芯片。这种方式需要对电路板进行修改，并且会增加成本。
3. 选择使用RS485外设来替代RS232外设。这种方式需要进行软件修改，并且有可能改变外部的连接方式，增加了终端电阻。虽然电路板的成本几乎没有太大增加，但外设的成本可能会有所变化。
4. 通过GPIO口加定时器的方式来模拟UART。这种方式的好处是可以将任意GPIO分配给芯片，并且不会增加成本。但需要进行软件修改，同时会增加CPU的负荷，特别是在发送/接收过程中，CPU会频繁进入中断，从而增加负荷。
5. 利用MCU的引脚复用功能，将一个UART分时应用于不同的引脚，使其看起来像是多个串口。

本文主要介绍了第5种方法，通过这种方法，可以在UART个数受限的情况下，以较低的成本实现多个串口的数据收发。当然，这种方法有一些应用限制：

1. MCU必须作为每个UART数据通信的发起者，也可以认为是UART协议的主设备，每次数据交换都由MCU发起。
2. MCU在发送数据后，必须知道从设备回复数据的超时时间，否则无法判断是否由于数据丢失导致无法查询下一个UART。

以下以NXP Kinetis KW41为例，介绍如何使用UART的分时复用功能：

1. 根据Datasheet选择可用的IO口，手册中的Table 52. KW41Z Pin Assignments提供了详细的描述。从图中可以看出，KW41只有一个LPUART0，但它可以复用到38、39、42、43、46、47这三组引脚上，这意味着我们最多可以复用出3个UART：

1. 查看芯片管脚复用寄存器，KW41是通过PORTx_PCRn寄存器的MUX位域来进行设置的，但该寄存器写入0x01对应的IO为GPIO，写入0x04对应LPUART0功能：

1. 修改软件代码，附件提供一个UART_TDM的例子，main函数中只需要调用初始化函数以及周期处理函数即可：

1. UART_TDM_Init初始化函数中主要是初始化了LPUART：

5.UART_TDM_Process本质上是一个状态机，其中有5种状态，芯片复位后为等待状态，然后等待一个UART0的发送周期进入Send状态，发送数据完毕后，会进入Receive状态，接收完毕后进入Done状态，如果超时没有接收到数据，则进入ReceiveTimeOut状态，进行异常处理，处理完毕后继续进入Done状态，Done状态后会重新进入Wait状态，等待下一个UART口的周期时间，进入第二个串口的周期，依次循环：

typedef enum _uart_tdm_status
{
kUART_TDM_Wait = 0U, /*!

其中有几个用户参数是可以设置的：

#define BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE 115200  //设置波特率`
#define TDM_RING_BUFFER_SIZE 11 //设置Buffer大小以及发送数据的个数
g_u16ReceiveTimeout[UART_TDM_NUMBER] = {100, 100, 100}; //响应超时，Uint ms.
g_u16CycleTime[UART_TDM_NUMBER] = {500, 500, 500}; //访问周期，Uint ms.

g_u16ReceiveTimeout该变量用于判断串口接收是否超时，如果本串口发送完毕后100ms内数据没有接收完成，则认为判断为超时，数据接收完毕的标志在接收中断服务程序中置位，这里仅仅示例，用户可以根据自己协议设置：

g_u16CycleTime该变量用于判断各个串口的发送间隔，当UART0接收（或超时）后，等待g_u16CycleTime[1]的时间后，发送UART1，UART1接收（或超时）后，等待g_u16CycleTime[2]的时间发送UART2，UART2接收（或超时）后，等待g_u16CycleTime[0]的时间发送UART0

extern uint32_t g_u32Timer; 本示例使用PIT生成了1ms的中断，并在中断复位程序中使用g_u32Timer++记录1ms的时间，如果用户希望降低CPU的负荷，可以使用Systick来计算超时。

1. 下载并运行程序，如果三个串口都接到PC端，可以在3个终端分别看到HelloUart1，HelloUart2，HelloUart3，如果PC端没有发送任何数据，那么MCU每周期都会进入kUART_TDM_ReceiveTimeOut状态，这样可以计算出每个串口的时间分别是500+100，500+100，500+100，总的周期是1800ms。

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