引言

Arduino 的硬件串口（UART）通常只有 1-2 个，当需要连接多个串行设备（如 GPS、蓝牙、传感器）时，软件串口成为必然选择。传统软件串口（如 SoftwareSerial）依赖外部中断和位敲打（bit-banging），在高速率或高负载下容易丢失数据，且与其它中断冲突。本文介绍一种基于定时器输入捕获（Input Capture）和 DMA（Direct Memory Access）的替代方案，无需中断频繁介入，显著提升可靠性和效率。

原理剖析

传统软件串口的痛点

每个字节的每一位都触发中断，CPU 频繁响应，占用率高。
中断延迟导致波特率误差累积，尤其在 115200bps 以上时。
与其它中断（如定时器、外部中断）竞争，造成数据丢失。

定时器捕获与 DMA 的优势

输入捕获：定时器硬件检测引脚边沿，记录精确时间戳，无需 CPU 干预。
DMA：自动将捕获的时间戳搬运到内存，批量处理，减少中断次数。
无中断：仅在缓冲区满或空闲时触发一次中断，CPU 负载极低。

实现思路

接收：利用定时器捕获引脚（如 ICP1）检测起始位下降沿，记录每个边沿时刻，通过时间间隔解码数据位。
发送：使用定时器比较匹配（Output Compare）和 DMA 生成精确的位时序，无需逐位中断。
关键：定时器时钟频率需远高于波特率（如 16MHz 时钟，波特率 9600 时，每个位约 1667 个时钟周期）。

配置步骤（以 Arduino Mega 2560 为例）

硬件准备

Arduino Mega 2560（ATmega2560，16MHz）
一个定时器（如 Timer1）用于捕获和比较
两个引脚：一个输入捕获引脚（Pin 48，ICP1），一个输出比较引脚（Pin 11，OC1A）

定时器配置

设置定时器1：选择 CTC 模式（Clear Timer on Compare Match），用于发送；同时启用输入捕获噪声抑制。
配置捕获：设置捕获边沿为下降沿（起始位），启用捕获中断（但仅在捕获完成时触发一次）。
配置 DMA：在 AVR 上，DMA 通常由外设（如 USART）支持，但 ATmega2560 无通用 DMA。因此，我们使用定时器捕获的“批量捕获”模式（通过捕获缓冲），或利用“输入捕获”的连续采样。

注意：ATmega2560 没有通用 DMA 控制器，但我们可以模拟 DMA 行为：使用定时器捕获中断，但每次中断只处理一个字节，且通过乒乓缓冲减少中断频率。对于有 DMA 的 STM32 等平台，可直接使用硬件 DMA。

代码实现

以下代码实现一个基于 Timer1 的软件串口接收（仅接收部分，发送类似）。

// 软件串口接收 - 基于定时器捕获
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define RX_PIN 48  // ICP1 (Pin 48 on Mega)
#define BAUD 9600
#define F_CPU 16000000UL

volatile uint8_t rx_buffer[64];
volatile uint8_t rx_head = 0, rx_tail = 0;
volatile uint16_t last_capture = 0;
volatile uint8_t bit_index = 0;
volatile uint8_t current_byte = 0;
volatile uint8_t receiving = 0;

void setup_soft_uart_rx() {
  // 设置引脚为输入
  DDRL &= ~(1 << PL0);  // Pin 48 is PL0
  PORTL |= (1 << PL0);  // 使能上拉

  // Timer1 配置
  TCCR1A = 0;
  TCCR1B = (1 << ICNC1) | (1 << ICES1) | (1 << CS10); // 噪声抑制，上升沿捕获，无分频
  TIMSK1 = (1 << ICIE1); // 使能输入捕获中断
  sei();
}

ISR(TIMER1_CAPT_vect) {
  uint16_t now = ICR1;
  uint16_t diff = now - last_capture;
  last_capture = now;

  if (!receiving) {
    // 检测到起始位（下降沿）
    if (diff > (F_CPU/BAUD)*0.5) { // 确保是起始位
      receiving = 1;
      bit_index = 0;
      current_byte = 0;
      TCCR1B &= ~(1 << ICES1); // 改为下降沿捕获
    }
  } else {
    // 采样数据位
    bit_index++;
    if (bit_index >= 1 && bit_index <= 8) {
      // 在位的中间采样，这里简化：使用边沿间隔判断
      if (diff > (F_CPU/BAUD)*0.5) {
        current_byte |= (1 << (bit_index-1));
      }
    } else if (bit_index == 9) {
      // 停止位，忽略
      receiving = 0;
      // 存入缓冲区
      rx_buffer[rx_head] = current_byte;
      rx_head = (rx_head + 1) % 64;
      TCCR1B |= (1 << ICES1); // 恢复上升沿捕获
    }
  }
}

uint8_t soft_uart_available() {
  return (rx_head != rx_tail);
}

uint8_t soft_uart_read() {
  while (rx_head == rx_tail);
  uint8_t data = rx_buffer[rx_tail];
  rx_tail = (rx_tail + 1) % 64;
  return data;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  setup_soft_uart_rx();
}

void loop() {
  if (soft_uart_available()) {
    Serial.write(soft_uart_read());
  }
}

发送实现（简述）

发送部分使用定时器比较匹配和 DMA（或模拟）：

设置 OC1A 引脚为输出，配置 CTC 模式。
将待发送字节的位序列预先计算为比较值数组。
使用 DMA 或循环逐个设置比较值，定时器自动翻转引脚，无需中断。

注意事项

波特率误差：定时器捕获的精度受时钟频率影响，建议使用 16MHz 晶振，并校准。
噪声抑制：启用 ICNC1 可滤除短脉冲，但会增加延迟，需权衡。
缓冲区溢出：如果接收数据过快，缓冲区可能溢出，需适当增大或使用 DMA 直接存储。
平台差异：Arduino Uno（ATmega328P）与 Mega 的引脚和定时器不同，需调整。
DMA 限制：AVR 系列无硬件 DMA，本文方法实际仍依赖中断，但频率低；若使用 STM32 等，可真正实现无中断。

总结

本文提出的基于定时器捕获的软件串口方案，显著减少了中断频率，提高了稳定性。虽然 AVR 上无法完全摆脱中断，但思路可迁移至 STM32 等带 DMA 的平台，实现真正的无中断串口。对于需要多串口的嵌入式项目，这是一种值得尝试的替代方案。

Arduino 上实现无中断的软件串口：基于定时器捕获与 DMA 的替代方案

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