串口通訊實(shí)際的波特率測(cè)量

平時(shí)使用串口打印出現(xiàn)亂碼的絕大部分原因是串口波特率沒(méi)對(duì)。那么我們?cè)趺礈y(cè)量實(shí)際的波特率呢？在這之前，順便一起回顧一下波特率的概念。

什么是波特率、比特率？

比特率(Bitrate)表示每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，單位為比特每秒(bit/s)。

波特率(Baudrate)表示每秒鐘傳送的碼元符號(hào)的個(gè)數(shù)，是衡量數(shù)據(jù)傳送速率的指標(biāo)。

碼元是通訊信號(hào)調(diào)制的概念，通訊中常用時(shí)間間隔相同的符號(hào)來(lái)表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，這樣的信號(hào)稱(chēng)為碼元。

常見(jiàn)的通訊傳輸中，用 0V 表示數(shù)字 0， 5V 表示數(shù)字 1，那么一個(gè)碼元可以表示兩種狀態(tài) 0 和 1，所以一個(gè)碼元等于一個(gè)二進(jìn)制比特位，此時(shí)波特率的大小與比特率一致。

如果在通訊傳輸中，有 0V、2V、 4V 以及 6V 分別表示二進(jìn)制數(shù) 00、 01、 10、 11，那么每個(gè)碼元可以表示四種狀態(tài)，即兩個(gè)二進(jìn)制比特位，所以碼元數(shù)是二進(jìn)制比特位數(shù)的一半，這個(gè)時(shí)候的波特率為比特率的一半。因?yàn)楹芏喑Ｒ?jiàn)的通訊（比如串口通訊）中一個(gè)碼元都是表示兩種狀態(tài)，所以大家常常直接以波特率來(lái)表示比特率 。

串口通訊協(xié)議

在串口通訊的協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，它由啟始位、主體數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位以及停止位組成，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要約定一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀組成如下：

下面我們來(lái)實(shí)際驗(yàn)證一下其數(shù)據(jù)幀是不是真的是這樣的。編寫(xiě)如下代碼：

代碼很簡(jiǎn)單，就是使用串口不斷地往外發(fā)數(shù)據(jù)0xAA（當(dāng)然發(fā)送其它數(shù)據(jù)也是可以的） 。我們的串口配置如下：

我們可以使用示波器或者邏輯分析儀抓取實(shí)際信號(hào)看看數(shù)據(jù)是不是符合上面的幀格式。這里，我們使用邏輯分析儀抓取USART1的發(fā)送信號(hào)線（TX）：

從實(shí)際結(jié)果中我們可以看到的確是按幀格式來(lái)發(fā)的。這里可能會(huì)有人有疑問(wèn)，上面那個(gè)數(shù)據(jù)幀的圖片中有個(gè)空閑狀態(tài)，這個(gè)又是什么呢？空閑、空閑，當(dāng)然是沒(méi)有在發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)候的狀態(tài)呀，我們把我們的代碼改為：

在初始化完成之后只發(fā)送一次0xAA，邏輯分析儀抓到的數(shù)據(jù)為：

可見(jiàn)，空閑狀態(tài)是個(gè)高電平。在上一個(gè)的范例中，我們一直在while循環(huán)中發(fā)送數(shù)據(jù)0xAA，所以就沒(méi)有空閑狀態(tài)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們需要知道的是兩個(gè)點(diǎn)是：

串口發(fā)送數(shù)據(jù)是低位先發(fā)的。我們單片機(jī)發(fā)0xAA（10101010B），所以邏輯分析儀抓到的有效數(shù)據(jù)是01010101B。

單片機(jī)的串口使用的是TTL電平，為正邏輯電平信號(hào)。邏輯分析儀抓到的數(shù)據(jù)0對(duì)應(yīng)著實(shí)際電壓0~0.5V，數(shù)據(jù)1對(duì)應(yīng)著實(shí)際電壓2.4V-5V，

經(jīng)常與TTL電平標(biāo)準(zhǔn)做對(duì)比的是RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)，如：

常見(jiàn)的電子電路中常使用 TTL 的電平標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下，使用 5V 表示二進(jìn)制邏輯 1，使用 0V 表示邏輯 0；而為了增加串口通訊的遠(yuǎn)距離傳輸及抗干擾能力，RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)使用-15V 表示邏輯 1， +15V 表示邏輯 0。

在舊式的臺(tái)式計(jì)算機(jī)中一般會(huì)有 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的 COM 口(也稱(chēng) DB9 接口) ：

在這個(gè)示例程序中，我們?cè)O(shè)置的串口波特率為115200bps。在串口通訊中，碼元只用1個(gè)二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示（即只有0 和 1兩種狀態(tài)），所以波特率與比特率在數(shù)值上是相等的。而比特率表示的是每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)，那我們知道傳一位數(shù)據(jù)的時(shí)間豈不是就可以反推出波特率是多少了嗎？從邏輯分析儀中，我們可以知道發(fā)送一位數(shù)據(jù)的時(shí)間如下：

發(fā)送一位數(shù)據(jù)的時(shí)間大約為8.667us，所以1秒鐘發(fā)送多少位數(shù)據(jù)是可以算出來(lái)的：

算出來(lái)的波特率為115380bps，與115200bps很相近。最終肯定是有一定的誤差，這個(gè)誤差產(chǎn)生的原因包括邏輯分析儀的質(zhì)量及我們的測(cè)量環(huán)境等等因素。但是這個(gè)誤差也是在允許的范圍內(nèi)的，可以看看串口助手接收到的數(shù)據(jù)是不是正確的：

可見(jiàn)，數(shù)據(jù)接收正確，也就是波特率對(duì)的上了。

串口波特率對(duì)不上怎么解決？

在實(shí)際中。我們可能會(huì)遇到這樣的情況，代碼里配置的波特率與串口助手上設(shè)置的波特率一樣了，但還是出現(xiàn)異常。

異常情況如我們往串口助手發(fā)送字符串，串口助手上本該顯示的字符串出現(xiàn)了亂碼。或者我們往串口助手發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)移位了。

出這種情況大多是波特率對(duì)應(yīng)不上，我們就得自己檢查我們的底層文件了，代碼中的某個(gè)與波特率計(jì)算相關(guān)的值（時(shí)鐘）與實(shí)際不匹配了，就會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，比如之前我的一位同事就遇到這樣的情況就是這個(gè)原因?qū)е碌摹?/p>

我們用STM32的時(shí)候，一般都是使用外部晶振，比如STM32F103系列，可輸入的外部晶振的范圍是4~16MHz：

經(jīng)驗(yàn)值往往是8MHz，而且一般的demo工程底層代碼里默認(rèn)的也是設(shè)置為8MHz，比如：

但是，如果實(shí)際晶振貼的不是8MHz的話，就出問(wèn)題了（比如串口波特率就不正確了）。追根溯源，串口波特率是配進(jìn)USART_Init函數(shù)中的，打開(kāi)這個(gè)函數(shù)：

計(jì)算串口波特率需要一個(gè)apbclock變量，而這個(gè)值得來(lái)源從RCC_GetClocksFreq函數(shù)來(lái)，再打開(kāi)這個(gè)函數(shù)：

所以要注意的是，HSE_VALUE這個(gè)值要與實(shí)際做對(duì)應(yīng)。

遇到這種問(wèn)題找誰(shuí)說(shuō)理去。。經(jīng)驗(yàn)就是不斷采坑不斷積累的一個(gè)過(guò)程，早點(diǎn)遇到坑可能也是一件好事。像類(lèi)似底層的問(wèn)題很少遇到，但是一旦遇到那就得比較棘手的問(wèn)題了，需要很有耐心地去查找。

能用穩(wěn)定的芯片是一件很幸福的事情，用不穩(wěn)定、不成熟的芯片的時(shí)候，那個(gè)才是真的難啊，真讓人懷疑人生啊。。。