詳解串行通信的波特率設(shè)置問題 - 全文

51單片機具有串行通信能力。其串行接口（ UART）是一個全雙工的通信接口，能方便地與其他單片機實現(xiàn)雙機或多機串行通信。隨著IBM - PC機的普及和單片機應(yīng)用的迅速發(fā)展，把這兩種微型機結(jié)合起來的應(yīng)用日益廣泛，從而使之既具有較強的實時控制功能，又有很強的數(shù)據(jù)處理能力，充分發(fā)揮了不同機種的特長。在這種應(yīng)用中，雙方都采用了RS - 232C標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，以實現(xiàn)雙機或多機之間的通信。

在不同機種的微機通信中，眾所周知的一個問題是進行通信的雙方應(yīng)該采用相同的傳輸速率，即雙方都應(yīng)使用同樣的傳輸波特率，這是確保通信成功的重要條件之一。下面僅對通信中波特率的設(shè)置問題作一些論述，供大家參考。

在IBM - PC／XT系統(tǒng)中，配備有異步通信適配器，該板上設(shè)有INS8250異步通信接口。PC機上波特率的設(shè)置是通過對8250初始化而實現(xiàn)的。在8250端口寄存器中，3FSH和3F9H分別設(shè)置為波特率因子的低8位和高8位值。該因子取值范圍為1～65 535，對輸入時鐘（1. 843 2 MHz）進行分頻，產(chǎn)生16倍波特率的波特率發(fā)生器時鐘（BAUDOUT），因而

對8250初始化預(yù)置了波特率因子之后，波特率發(fā)生器方可產(chǎn)生規(guī)定的波特率。

51單片機串行通信的波特率因串行口工作方式選擇不同而異。它除了與系統(tǒng)的振蕩頻率、電源控制寄存器PCON的SMOD位有關(guān)外，還與定時器T1的設(shè)置有關(guān)。

在串行口工作方式O時，波特率固定不變，其大小為foSC／12。在串行口方式2時，波特率也只固定為兩種，與SMOD位的值有關(guān)：當(dāng)SMOD-O時，波特率為foSC／64;當(dāng)SMOD=1時，波特率為foSC/32。串行口方式1、3的波特率是可變的，除與SMOD位的取值有關(guān)外，主要取決于定時器1的溢出率。當(dāng)定時器1用作串行通信的波特率發(fā)生器時，波特率可由下式確定：

波特率=T1溢出率／n

式中：n=32或16，對應(yīng)于PCON中SMOD=O或1。而Ti的溢出率取決于計數(shù)速率和定時時間常數(shù)，即

T1溢出率=計數(shù)速率/256-x

此時T1工作于方式2，即8位自動裝載方式。這種方式可以避免重新設(shè)定定時初值。式中x即為在TH1和TL1中裝入的初始計數(shù)值。定時器1的計數(shù)速率與定時器工作方式的選擇有關(guān)。當(dāng)選擇T1為定時工作方式時，其計數(shù)輸入脈沖為內(nèi)部時鐘信號，即每個機器周期使寄存器值加1，而每個機器周期為12個振蕩周期，故計數(shù)速率為fosc／12。若系統(tǒng)fosc=12 MHz，則T1計數(shù)速率為fosc／12=1 MHz。由此可得出

例如，假定串行通信雙方波特率要求為9 600 b/s．系統(tǒng)振蕩頻率fosc=11. 59 MHz，當(dāng)SMOD選為1時，TH1、TL1的初值計算如下：

將此值置入TH，、TL1時，波特率發(fā)生器產(chǎn)生的實際的傳輸速率為

在這種情況下，PC機與單片機可以進行正常的接收與發(fā)送。

根據(jù)以上條件，若系統(tǒng)采用12 MHz系統(tǒng)時鐘，按照上面公式計算可得出z≈250或249（FAH或F9H）。此時在THi和TL1中置入FAH或F9H時，實際的傳輸速率為10 416. 67或8 928. 57 b/s，其誤差分別為-8.5%或+7%。

實踐表明，PC機與單片機在這種條件下不能實現(xiàn)正常的接收與發(fā)送。

上面的計算表明，在串行通信中，當(dāng)規(guī)定了傳輸速率以后，波特率的設(shè)置與系統(tǒng)使用的振蕩頻率有著很重要的作用，可直接影響通信的成功與失敗。上例中，當(dāng)雙機約定了傳輸速率為9600 b/s時，若系統(tǒng)振蕩頻率為12 MHz或6 MHz，PC機的波特率為9 600 b/s，而單片機實際的波特率大于（或小于）9 600 b/s．則波特率誤差為8.5%。也就是說，若PC機以101.17 μs的時間發(fā)送一位數(shù)據(jù)，則單片機以96 μs的時間接收一位數(shù)據(jù)。在接收一幀數(shù)據(jù)的過程中，由于誤差的累積，則產(chǎn)生了錯碼。

我們知道，在單片機的串行接收方式（1、2、3）中，CPU以16倍波特率的采樣速率不斷對接收數(shù)據(jù)（RxD）采樣，一旦檢測到由1到0的負(fù)跳變，16分頻計數(shù)器立刻復(fù)位，使之滿度翻轉(zhuǎn)的時刻恰好與輸入位的邊沿對準(zhǔn)。16分頻計數(shù)器把每個接收位的時間分為16份，在中間三位即7、8、9狀態(tài)時，位檢測器對RxD端的值采樣，并以3取2的表決方式，確定所接收的數(shù)據(jù)位。這3個狀態(tài)，理論上對應(yīng)于每一位的中間段，若發(fā)送端與接收端的傳輸速率不一致，就會發(fā)生采樣偏移。這種傳輸速率的誤差在允許范圍內(nèi)不致產(chǎn)生錯位或漏碼；但當(dāng)誤差超出允許范圍時，便會發(fā)生錯位，使接收的某數(shù)據(jù)重復(fù)接收，因而產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)錯。

下面僅對由波特率誤差引起的錯碼現(xiàn)象作一分析。例如PC機與單片機的通信速率約定為9 600 b/s，系統(tǒng)時鐘為6 MHz時，為了按約定的速率通信，PC機在8250異步通信接口中的3F8H和3F9H寄存器中設(shè)定波特率因子分別為OCH和OOH;而單片機中定時器1初值TH1=TL1 =FDH。此時，PC機發(fā)送數(shù)據(jù)與單片機接收數(shù)據(jù)情況如下：

PC機發(fā)送數(shù)據(jù) 單片機接收數(shù)據(jù)

10H—1FH 30H～3FH

以上數(shù)據(jù)表明了接收數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的錯碼情況。通過對上述錯碼進行剖析可以看到：當(dāng)因波特率誤差引起接收端采樣偏移時，如果這個偏移使得接收某數(shù)據(jù)位的采樣在該位中點的半位間隔時，將會對該位采樣兩次，因而形成了上面的錯碼情況。下面公式表明錯碼或漏碼發(fā)生的位數(shù)N：

即當(dāng)串行異步通信的幀格式為11位時：

●N≤11，表示一幀數(shù)據(jù)中有某位被采樣錯，且采樣出錯在第N位；

●N》ll，表示一幀數(shù)據(jù)中沒有數(shù)據(jù)位發(fā)生采樣錯。

本例中，波特率誤差為8. 5%，由上面公式得出8.5%×11=0.935》0.5，說明在這個波特率誤差下將出現(xiàn)采樣錯，且出錯位為：

即在數(shù)據(jù)幀包括起始位的第6位發(fā)生錯碼，在第6位采樣了兩次，因而得到上面錯碼情況。

由此可以類推出錯誤的接收數(shù)據(jù)。

相反，當(dāng)PC機的傳送波特率大于單片機的傳送波特率時，則會在第N位出現(xiàn)漏碼錯誤。這里不再贅述。

由上面的公式還可以推斷出，當(dāng)波特率相對誤差小于4. 5%時，這種采樣的偏移將不影響正常的數(shù)據(jù)接收。但一般為了保證傳輸?shù)目煽啃?，通常波特率誤差不大于2.5%，而盡量選擇最小的傳輸誤差率。

在波特率的設(shè)置中，還有一個問題值得注意，這就是SMOD位的選擇也影響著波特率的準(zhǔn)確率。請看下面例子：

設(shè)波特率為2 400 b/s，fosc=6 MHz時，SMOD可以任選為0或1。但是由于對SMOD不同的選擇，產(chǎn)生了不同的波特率誤差：

上面的分析說明了SMOD值雖然是可以任意選擇的，但在某些情況下，它直接影響著波特率誤差范圍，因而在波特率設(shè)置時，對SMOD的選取也需要做適當(dāng)?shù)目紤]。

以上對串行通信所必須涉及的波特率設(shè)置問題作了一些分析。由此可以看出，在異機種的串行通信中，波特率的設(shè)置是很重要的問題，它直接關(guān)系著串行通信的成功與失敗，因此在波特率設(shè)置時需要給予足夠的認(rèn)識。