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

硬件连接：将外部设备的 TX 引脚连接到 Arduino 的 Pin 8（ICP1），共地。
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<<ICIE1)）。
- 设置边沿触发为下降沿（TCCR1B &= ~(1<<ICES1)）。
中断服务程序：在 ISR 中读取 ICR1，计算与上次捕获的时间差，并调用状态机处理。
状态机设计：
- 状态 IDLE：等待起始位（下降沿）。
- 状态 RECEIVING：根据边沿间隔解析数据位，直到收到停止位。

完整代码示例

以下代码实现一个非阻塞式软件串口接收功能，可接收 8 位数据，无校验位。

// 非阻塞软件串口接收示例（Arduino Uno）
// 使用定时器1输入捕获，Pin 8 (ICP1) 作为 RX

volatile uint32_t last_capture = 0;  // 上次捕获时间
volatile uint8_t rx_byte = 0;        // 接收到的字节
volatile uint8_t rx_ready = 0;       // 接收完成标志
volatile uint8_t bit_count = 0;      // 已接收的位数
volatile uint8_t current_byte = 0;   // 正在接收的字节
volatile uint8_t state = 0;          // 状态机状态：0=IDLE, 1=RECEIVING

#define BIT_TIME 104  // 9600bps 位时间（μs），预分频8时计数单位0.5μs，故104*2=208计数

void setup() {
  Serial.begin(115200);  // 调试串口
  pinMode(8, INPUT);     // ICP1 引脚
  
  // 配置定时器1
  TCCR1A = 0;            // 普通模式
  TCCR1B = (1<<CS11);    // 预分频8，计数频率2MHz
  TIMSK1 |= (1<<ICIE1);  // 使能输入捕获中断
  TCCR1B &= ~(1<<ICES1); // 下降沿触发
  
  sei();                 // 全局中断使能
}

ISR(TIMER1_CAPT_vect) {
  uint32_t now = ICR1;   // 读取捕获值
  uint32_t diff = now - last_capture;  // 计算时间差（考虑溢出）
  last_capture = now;
  
  // 将计数差值转换为位时间倍数（约0.5μs/计数）
  uint16_t bit_units = diff / (BIT_TIME * 2);  // 2MHz下1位时间=208计数
  
  if (state == 0) {
    // IDLE状态：下降沿到来，视为起始位
    state = 1;
    bit_count = 0;
    current_byte = 0;
    // 注意：起始位本身是低电平，但我们已经捕获到下降沿，无需处理
  } else {
    // RECEIVING状态：处理数据位和停止位
    // 每个下降沿表示一个位从1到0的变化，因此需要根据间隔填充0位
    
    // 填充间隔中的0位（bit_units-1 个0，因为下降沿本身代表一个0）
    for (uint8_t i = 0; i < bit_units - 1; i++) {
      if (bit_count < 8) {
        current_byte >>= 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。

Arduino 非阻塞式软件串口：基于定时器捕获的位级采样技巧

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