STM32的USART自動(dòng)波特率檢測(cè)

《前言》

正確的USART通信要求發(fā)送和接收波特率的匹配度足夠高，否則可能發(fā)生通信錯(cuò)誤。

當(dāng)在兩個(gè)設(shè)備之間建立通信鏈路時(shí)，自動(dòng)波特率檢測(cè)十分有用，因?yàn)閺脑O(shè)備能夠檢測(cè)到主控制器的波特率并進(jìn)行相應(yīng)的自我調(diào)整。這需要使用一種自動(dòng)機(jī)制來(lái)確定波特率。

某些STM32器件中內(nèi)置的USART外設(shè)提供許多功能，包括硬件自動(dòng)波特率檢測(cè)。

本應(yīng)用筆記旨在介紹STM32微控制器的自動(dòng)波特率檢測(cè)功能，并為沒(méi)有在硬件中實(shí)現(xiàn)此功能的STM32器件提供替代軟件方法。

本應(yīng)用筆記適用于表 1中所列產(chǎn)品。

《硬件自動(dòng)波特率檢測(cè)》

1、特性概述

自動(dòng)波特率檢測(cè)（ABR）使接收設(shè)備能夠接受來(lái)自各種以不同速率工作的發(fā)送設(shè)備的數(shù)據(jù)，無(wú)需事先建立數(shù)據(jù)速率。

在一些STM32產(chǎn)品中，USART能夠使用專用硬件自動(dòng)確定波特率。

表 2提供了支持自動(dòng)波特率檢測(cè)的STM32系列設(shè)備的概述。

對(duì)于內(nèi)置ABR的STM32系列設(shè)備而言，并非所有實(shí)例化USART接口均支持自動(dòng)波特率檢測(cè)。

表 3詳細(xì)說(shuō)明了這一限制。

2、自動(dòng)波特率檢測(cè)模式

ABR是指接收設(shè)備通過(guò)檢查第一個(gè)字符（通常是預(yù)先選擇的標(biāo)志字符）確定傳入數(shù)據(jù)速率的過(guò)程。

STM32產(chǎn)品上的自動(dòng)波特率檢測(cè)功能內(nèi)置的各種模式基于不同字符模式：

?以“1”位為開頭的任意字符：模式0

?以10xx模式開頭的任何字符：模式1

?0x7F：模式2

?0x55：模式3

在激活自動(dòng)波特率檢測(cè)之前，必須通過(guò)USARTx_CR2寄存器中的ABRMOD[1:0]字段選擇一種ABR模式。在所有ABR模式下，都會(huì)在同步數(shù)據(jù)接收期間多次檢測(cè)波特率，并將每一次的檢測(cè)值與上一次的檢測(cè)值進(jìn)行比較。

注：在7位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度模式下，不支持0x7F和0x55幀檢測(cè)ABR模式。

3、ABR誤差計(jì)算

由USART時(shí)鐘源（fCK）決定通信速率范圍（尤其是最大通信速率）。接收器采用不同的用戶可配置過(guò)采樣技術(shù)，可區(qū)分有效輸入數(shù)據(jù)和噪聲，從而用于恢復(fù)數(shù)據(jù)。這可以在最大通信速率與抗噪聲/時(shí)鐘不準(zhǔn)確性之間實(shí)現(xiàn)平衡。

可通過(guò)編程USARTx_CR1寄存器中的OVER8位來(lái)選擇過(guò)采樣方法，可以是波特率時(shí)鐘的16倍或8倍。

USART時(shí)鐘源頻率必須與預(yù)期通信速率兼容：

?16倍過(guò)采樣時(shí)，波特率介于fCK/65535與fCK/16之間。

?8倍過(guò)采樣時(shí)，波特率介于fCK/65535與fCK/8之間。

波特率誤差取決于USART時(shí)鐘源、過(guò)采樣方法和ABR模式。

其中：

?預(yù)期波特率取決于發(fā)送設(shè)備

?實(shí)際波特率是USART接收器使用自動(dòng)波特率檢測(cè)操作確定的波特率。

《軟件自動(dòng)波特率檢測(cè)》

如果不支持硬件自動(dòng)波特率檢測(cè)，可采用本節(jié)描述的軟件方法。

軟件方法的理念是發(fā)送0x7F數(shù)據(jù)幀到USARTx_RX引腳。這將連接到EXTI線路，該線路被配置為在每個(gè)上升沿生成中斷。

使用Systick定時(shí)器測(cè)量?jī)蓚€(gè)上升沿之間間隔的持續(xù)時(shí)間。此持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于8位的持續(xù)時(shí)間，因此

?位時(shí)間 = 計(jì)算的持續(xù)時(shí)間 / 8

?波特率 = 1/位時(shí)間

然后，根據(jù)計(jì)算的波特率值進(jìn)行USARTx_BRR寄存器編程。

《軟件和硬件方法設(shè)置》

此設(shè)置示例使用的是內(nèi)置硬件自動(dòng)波特率檢測(cè)功能的STM32F303xD/E。

PC應(yīng)用“超級(jí)終端”用于向/從STM32F303發(fā)送/接收數(shù)據(jù)幀。因此，測(cè)試的是介于600bits/s至115200 bits/s之間的標(biāo)準(zhǔn)波特率。使用另一個(gè)STM32F3器件作為發(fā)送器測(cè)試可以達(dá)到的最高波特率值（9 Mbits/s）。

1、USART1配置示例

在兩個(gè)示例中，STM32 USART1的配置如下：

/*##-1- Configure the UART peripheral ######################################*/
 /* Put the USART peripheral in the Asynchronous mode (UART Mode) */
 /* UART configured as follows:
- Word Length = 8 Bits
- Stop Bit = One Stop bit
- Parity = NONE parity
- BaudRate = 115200 baud It can be any other value as the USARTx_BRR register will be 
reprogrammed 
- Hardware flow control disabled (RTS and CTS signals)
- The oversampling mode is 8 or 16 (Both are tested) 
*/
 UartHandle.Instance = USARTx;
 UartHandle.Init.BaudRate = 115200; 
 UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
 UartHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
 UartHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
 UartHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
 UartHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
 UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

注：

USART1時(shí)鐘源是使用HSE PLL時(shí)鐘源的72 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。（某些測(cè)試使用HSI時(shí)鐘作為USART1時(shí)鐘源來(lái)執(zhí)行。這是為了檢查HSI不準(zhǔn)確性對(duì)結(jié)果的影響。）

2、硬件自動(dòng)波特率檢測(cè)

USART1被配置為自動(dòng)檢測(cè)波特率。用戶必須在USART1初始化函數(shù)中選擇ABR模式，如下所示：

/*##-2- Configure the AutoBaudRate method */
UartHandle.AdvancedInit.AdvFeatureInit =UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_INIT;
UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateEnable = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ENABLE;
/*Uncomment your appropriate mode */
//UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateMode = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ONSTARTBIT; 
//UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateMode = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ONFALLINGEDGE;
//UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateMode = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ON0X7FFRAME;
//UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateMode = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ON0X55FRAME; 
if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)
{
/* Initialization Error */
 Error_Handler();
}
/* Wait until Receive enable acknowledge flag is set */
while(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle,UART_FLAG_REACK) == RESET)
{} 
/* Wait until Transmit enable acknowledge flag is set */ 
while(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle,UART_FLAG_TEACK) == RESET)
{}
/* Loop until the end of Autobaudrate phase */
while(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle,UART_FLAG_ABRF) == RESET)
{}

在整個(gè)初始化過(guò)程完成后，USART等待從超級(jí)終端接收數(shù)據(jù)，然后開始自動(dòng)波特率檢測(cè)階段。通過(guò)ABRF標(biāo)志監(jiān)測(cè)此階段的結(jié)束。

?如果自動(dòng)波特率檢測(cè)操作不成功，則ABRE標(biāo)志置位

?如果自動(dòng)波特率檢測(cè)操作成功完成，則向超級(jí)終端發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)。

/* If AutoBaudBate error occurred */
if (__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_ABRE)!= RESET)
{
 Error_Handler();
}
else
{
 /* Wait until RXNE flag is set */
 while(__HL_UART_GET_FLAG(&UartHandle,UART_FLAG_RXNE) == RESET)
 {} 
 /* Send acknowledgement message*/
 if (HAL_UART_Transmit_DMA(&UartHandle, (uint8_t *)aTxBuffer, TXBUFFERSIZE) != HAL_OK)
 {
 /* Transfer error in transmission process */
 Error_Handler();
 }
 while (HAL_UART_GetState(&UartHandle) != HAL_UART_STATE_READY)
 {
 }
}

3、軟件自動(dòng)波特率檢測(cè)

表 5詳細(xì)說(shuō)明了軟件方法。

4、誤差計(jì)算

圖 2顯示ABR模式2和3的精確度高于模式0和1；它們的波特率誤差值更低。

不過(guò)，由于預(yù)期波特率與實(shí)際波特率之間的誤差小于1%，因此所有模式的結(jié)果均正常。

圖 3顯示在通常情況下，當(dāng)由72 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘為USART提供時(shí)鐘（HSE作為PLL時(shí)鐘源）時(shí)，結(jié)果優(yōu)于USART時(shí)鐘源使用HSI時(shí)鐘。這要?dú)w因于HSI的相對(duì)不準(zhǔn)確性。

圖 4顯示在大多數(shù)情況下，硬件方法提供的結(jié)果優(yōu)于軟件方法。不過(guò)，在某些情況下，軟件方法能夠提供相比于使用硬件方法時(shí)更好的結(jié)果。

圖 5顯示：

?使用硬件方法時(shí)，達(dá)到最大波特率9 Mbits/s時(shí)誤差為0%。

?使用軟件方法時(shí)，達(dá)到最大波特率時(shí)誤差為約30%，這要?dú)w因于執(zhí)行中斷處理程序所花費(fèi)的CPU周期。

《結(jié)論》

此應(yīng)用筆記描述了某些STM32器件內(nèi)置的硬件自動(dòng)波特率檢測(cè)功能。它還提供了在軟件中實(shí)現(xiàn)此功能的技術(shù)，作為STM32器件沒(méi)有在硬件中實(shí)現(xiàn)此功能的解決方案。

盡管示例中的自動(dòng)波特率檢測(cè)均應(yīng)用在示例的開頭部分，但是可以進(jìn)行擴(kuò)展并在每次發(fā)送和接收設(shè)備檢測(cè)到通信錯(cuò)誤時(shí)使用。當(dāng)主機(jī)使用不同波特率進(jìn)行通信時(shí)，這一特性可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的穩(wěn)健性。

審核編輯 ：李倩