2018年02月26日 | 串行通信中的波特率设置分析

　　51单片机具有串行通信能力。其串行接口( UART)是一个全双工的通信接口，能方便地与其他单片机实现双机或多机串行通信。随着IBM - PC机的普及和单片机应用的迅速发展，把这两种微型机结合起来的应用日益广泛，从而使之既具有较强的实时控制功能，又有很强的数据处理能力，充分发挥了不同机种的特长。在这种应用中，双方都采用了RS - 232C标准串行通信接口，以实现双机或多机之间的通信。
　　
　　在不同机种的微机通信中，众所周知的一个问题是进行通信的双方应该采用相同的传输速率，即双方都应使用同样的传输波特率，这是确保通信成功的重要条件之一。下面仅对通信中波特率的设置问题作一些论述，供大家参考。
　　
　　在IBM - PC／XT系统中，配备有异步通信适配器，该板上设有INS8250异步通信接口。PC机上波特率的设置是通过对8250初始化而实现的。在8250端口寄存器中，3FSH和3F9H分别设置为波特率因子的低8位和高8位值。该因子取值范围为1～65 535，对输入时钟(1. 843 2 MHz)进行分频，产生16倍波特率的波特率发生器时钟(BAUDOUT)，因而

　　
　　对8250初始化预置了波特率因子之后，波特率发生器方可产生规定的波特率。
　　
　　51单片机串行通信的波特率因串行口工作方式选择不同而异。它除了与系统的振荡频率、电源控制寄存器PCON的SMOD位有关外，还与定时器T1的设置有关。
　　
　　在串行口工作方式O时，波特率固定不变，其大小为foSC／12。在串行口方式2时，波特率也只固定为两种，与SMOD位的值有关：当SMOD-O时，波特率为foSC／64;当SMOD=1时，波特率为foSC/32。串行口方式1、3的波特率是可变的，除与SMOD位的取值有关外，主要取决于定时器1的溢出率。当定时器1用作串行通信的波特率发生器时，波特率可由下式确定：
　　
　　波特率=T1溢出率／n
　　
　　式中：n=32或16，对应于PCON中SMOD=O或1。而Ti的溢出率取决于计数速率和定时时间常数，即
　　
　　T1溢出率=计数速率/256-x
　　
　　此时T1工作于方式2，即8位自动装载方式。这种方式可以避免重新设定定时初值。式中x即为在TH1和TL1中装入的初始计数值。定时器1的计数速率与定时器工作方式的选择有关。当选择T1为定时工作方式时，其计数输入脉冲为内部时钟信号，即每个机器周期使寄存器值加1，而每个机器周期为12个振荡周期，故计数速率为fosc／12。若系统fosc=12 MHz，则T1计数速率为fosc／12=1 MHz。由此可得出

　　
　　例如，假定串行通信双方波特率要求为9 600 b/s．系统振荡频率fosc=11. 59 MHz，当SMOD选为1时，TH1、TL1的初值计算如下：

将此值置入TH,、TL1时，波特率发生器产生的实际的传输速率为

　　在这种情况下，PC机与单片机可以进行正常的接收与发送。
　　
　　根据以上条件，若系统采用12 MHz系统时钟，按照上面公式计算可得出z≈250或249（FAH或F9H）。此时在THi和TL1中置入FAH或F9H时，实际的传输速率为10 416. 67或8 928. 57 b/s，其误差分别为-8.5%或+7%。
　　
　　实践表明，PC机与单片机在这种条件下不能实现正常的接收与发送。
　　
　　上面的计算表明，在串行通信中，当规定了传输速率以后，波特率的设置与系统使用的振荡频率有着很重要的作用，可直接影响通信的成功与失败。上例中，当双机约定了传输速率为9600 b/s时，若系统振荡频率为12 MHz或6 MHz，PC机的波特率为9 600 b/s，而单片机实际的波特率大于（或小于）9 600 b/s．则波特率误差为8.5%。也就是说，若PC机以101.17 μs的时间发送一位数据，则单片机以96 μs的时间接收一位数据。在接收一帧数据的过程中，由于误差的累积，则产生了错码。
　　
　　我们知道，在单片机的串行接收方式(1、2、3)中，CPU以16倍波特率的采样速率不断对接收数据(RxD)采样，一旦检测到由1到0的负跳变，16分频计数器立刻复位，使之满度翻转的时刻恰好与输入位的边沿对准。16分频计数器把每个接收位的时间分为16份，在中间三位即7、8、9状态时，位检测器对RxD端的值采样，并以3取2的表决方式，确定所接收的数据位。这3个状态，理论上对应于每一位的中间段，若发送端与接收端的传输速率不一致，就会发生采样偏移。这种传输速率的误差在允许范围内不致产生错位或漏码；但当误差超出允许范围时，便会发生错位，使接收的某数据重复接收，因而产生接收数据错。
　　
　　下面仅对由波特率误差引起的错码现象作一分析。例如PC机与单片机的通信速率约定为9 600 b/s，系统时钟为6 MHz时，为了按约定的速率通信，PC机在8250异步通信接口中的3F8H和3F9H寄存器中设定波特率因子分别为OCH和OOH;而单片机中定时器1初值TH1=TL1 =FDH。此时，PC机发送数据与单片机接收数据情况如下：
　　
　　PC机发送数据    单片机接收数据
　　
　　10H—1FH        30H～3FH

　　以上数据表明了接收数据中出现的错码情况。通过对上述错码进行剖析可以看到：当因波特率误差引起接收端采样偏移时，如果这个偏移使得接收某数据位的采样在该位中点的半位间隔时，将会对该位采样两次，因而形成了上面的错码情况。下面公式表明错码或漏码发生的位数N:

即当串行异步通信的帧格式为11位时：
　　
　　●N≤11，表示一帧数据中有某位被采样错，且采样出错在第N位；
　　
　　●N>ll，表示一帧数据中没有数据位发生采样错。
　　
　　本例中，波特率误差为8. 5%，由上面公式得出8.5%×11=0.935>0.5，说明在这个波特率误差下将出现采样错，且出错位为：

　　即在数据帧包括起始位的第6位发生错码，在第6位采样了两次，因而得到上面错码情况。

　　由此可以类推出错误的接收数据。
　　
　　相反，当PC机的传送波特率大于单片机的传送波特率时，则会在第N位出现漏码错误。这里不再赘述。
　　
　　由上面的公式还可以推断出，当波特率相对误差小于4. 5%时，这种采样的偏移将不影响正常的数据接收。但一般为了保证传输的可靠性，通常波特率误差不大于2.5%，而尽量选择最小的传输误差率。
　　
　　在波特率的设置中，还有一个问题值得注意，这就是SMOD位的选择也影响着波特率的准确率。请看下面例子：
　　
　　设波特率为2 400 b/s，fosc=6 MHz时，SMOD可以任选为0或1。但是由于对SMOD不同的选择，产生了不同的波特率误差：

　　上面的分析说明了SMOD值虽然是可以任意选择的，但在某些情况下，它直接影响着波特率误差范围，因而在波特率设置时，对SMOD的选取也需要做适当的考虑。
　　
　　以上对串行通信所必须涉及的波特率设置问题作了一些分析。由此可以看出，在异机种的串行通信中，波特率的设置是很重要的问题，它直接关系着串行通信的成功与失败，因此在波特率设置时需要给予足够的认识。