串行通信的實(shí)現(xiàn)條件和波特率自動(dòng)整定問題 - 全文

串行通信在波特率誤差超過一定范圍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。本節(jié)介紹的內(nèi)容在51單片機(jī)上僅用軟件就實(shí)現(xiàn)了波特率自動(dòng)整定，最大程度地減小了波特率誤差，因而可使串行通信的可靠性得到提高。

51單片機(jī)具有一個(gè)全雙工的串行接口，提供了多機(jī)通信功能，可方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)（多機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)、集散型多級(jí)系統(tǒng)），為完成大型的控制任務(wù)提供了有效的手段。用51單片機(jī)組成的多機(jī)控制系統(tǒng)，國內(nèi)已出現(xiàn)多例。在這樣的系統(tǒng)中，可靠地實(shí)現(xiàn)多處理器間的信息交換（串行通信）是十分重要的。本節(jié)的研究發(fā)現(xiàn)，波特率作為串行通信的速率，同時(shí)對(duì)通信的可靠性有重要影響。

一、正常串行通信的實(shí)現(xiàn)條件

串行通信是按位傳送數(shù)據(jù)的。每個(gè)數(shù)據(jù)有8或9個(gè)數(shù)據(jù)位，加上起始位和停止位構(gòu)成一個(gè)串行幀。每一位占用時(shí)間T，1／T稱為串行通信的波特率。理想情況下，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)設(shè)置的波特率一致。接收機(jī)的接收控制器在串行幀每一數(shù)據(jù)位的中點(diǎn)進(jìn)行采樣，能接收到正確的數(shù)據(jù)，但要求波特率完全一致是不可能的。這就提出了一個(gè)問題：要可靠地實(shí)現(xiàn)串行通信，允許收發(fā)雙方的波特率有多大誤差？我們以一個(gè)10位的串行幀為例進(jìn)行分析。

圖1 - 85 （b）是正常工作的情形，波特率一致。在圖1 - 85（a）中，接收波特率不變，而發(fā)送波特率變小，每位的時(shí)間T延長5%，在第10位采樣時(shí)，就產(chǎn)生了錯(cuò)位，不能進(jìn)行正常通信。對(duì)于10位的串行幀，允許的最大波特率誤差不超過5%；在多機(jī)通信方式下，串行幀是11位的，允許的最大波特率誤差不超過4. 5%。

上面得到的僅僅是理想情況下的波特率誤差允許上限。實(shí)際應(yīng)用中，由于硬件設(shè)備的頻帶有限，數(shù)據(jù)位的上下跳沿要占用一定時(shí)間，每個(gè)數(shù)據(jù)位的有效時(shí)間比理想情況要短，所以對(duì)波特率誤差會(huì)有更嚴(yán)格的要求。

串行通信的實(shí)現(xiàn)條件和波特率自動(dòng)整定問題

二、波特率誤差來源及克服辦法

1.51單片機(jī)串行通信波特率的產(chǎn)生

51單片機(jī)的串行口有4種操作模式，由串行口控制字SCON中的兩位SMO和SM1設(shè)置。模式0作同步移位寄存器，與通信無關(guān)；模式2的波特率直接由機(jī)器主頻fosc決定，不方便應(yīng)用；常用的是模式1和模式3．分別是8位和9位異步通信口。其波特率是可變的，由機(jī)內(nèi)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器1（C／T1）來產(chǎn)生，波特率有以下公式：

其中SMOD是電源控制字PCON中的一位，可編程為0或1。

C／T1有3種工作模式：模式0為13位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，模式1為16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，而模式2是可自動(dòng)重裝時(shí)間常數(shù)的8位定時(shí)／計(jì)數(shù)器。當(dāng)需要的波特率不是太低時(shí)，一般用模式2作波特率發(fā)生器：一方面省去了用C/Ti中斷服務(wù)重裝時(shí)間常數(shù)的工作，更主要的是避免了因中斷響應(yīng)時(shí)間不同引起的波特率隨機(jī)誤差。對(duì)C/T，的模式2，波特率按如下公式計(jì)算：

式中：fosc為晶振頻率；TH1為時(shí)間常數(shù)。

若采用6 MHz的晶振，用模式2可產(chǎn)生的最低波特率為61。對(duì)于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，絕不會(huì)采用更低的信息傳遞速率（每秒6個(gè)數(shù)據(jù)）。所以，以下討論只限于C／Ti的模式2作波特率發(fā)生器的情況。

2．波特率誤差的來源

由式（1 -4）可知，fbit與fosc及TH1有關(guān)。首先考慮fosc對(duì)．fbit的影響。51的振蕩器電路是　　由晶體及電容C1、C2構(gòu)成的。XTAL1及XTAL2為外接晶體管引腳。fosc主要由晶體的固有頻率決定，同時(shí)也與電容C1、C2及外界溫度有一定關(guān)系。另外，晶體頻率的標(biāo)稱值與實(shí)際值也不可能完全一致。我們曾測定過一組標(biāo)稱4 MHz的晶體，發(fā)現(xiàn)離散度達(dá)2%。由式（1-4）得：

這說明用有誤差的fosc去計(jì)算fbit時(shí)，fbit，會(huì)產(chǎn)生同樣大小的相對(duì)誤差。

下面考慮TH，的影響。時(shí)間常數(shù)只有8位字長，這樣就必然存在量化誤差。采用四舍五入后，THi的量化誤差|△TH1| mAX=0.5。綜合式（1-4）、（1-5）得：

由式（1 -6）可以看出，由量化誤差產(chǎn)生的波特率誤差與波特率成正比，與fosc成反比；并且若置SMOD-l，則可使誤差減小一半。

3．減小波特率誤差的措施

人工設(shè)置波特率，不可避免要用到fosc的標(biāo)稱值，這樣就引入了一個(gè)誤差源。采用自動(dòng)整定，可以消除由fosc標(biāo)稱值不準(zhǔn)確引入的誤差。

波特率自動(dòng)整定可按如下的方法進(jìn)行：在一個(gè)多機(jī)系統(tǒng)中，由系統(tǒng)主機(jī)產(chǎn)生出一個(gè)預(yù)定波特率的方波信號(hào)，從串行口發(fā)送到各從機(jī)；各從機(jī)以各自的時(shí)鐘為基準(zhǔn)測定此方波的周期所包含的機(jī)器周期數(shù)N，從N可以方便地?fù)Q算出產(chǎn)生同樣波特率需要的時(shí)間常數(shù)TH1。計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

51單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間為δT=12/fosc，一個(gè)方波周期包含兩個(gè)串行數(shù)據(jù)位，這樣，每位數(shù)據(jù)占用的時(shí)間為

串行通信的實(shí)現(xiàn)條件和波特率自動(dòng)整定問題

而fbit=1／T，代入式（1-4）得

TH1的量化誤差總是存在的，為減小其影響，應(yīng)盡量選SMOD=1;在用式（1-7）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要進(jìn)行舍入，而不是截尾。

采用自動(dòng)整定時(shí)，波特率誤差僅由TH，的量化誤差引起：

采用12 MHz晶體，fbit=4 800時(shí)可能的最大波特率誤差為3.84% （SMOD=1）．可以保證正常通信。一般系統(tǒng)1 200的波特率就足以滿足要求了。

三、波特率自動(dòng)整定的實(shí)現(xiàn)和結(jié)論

1．自動(dòng)整定的實(shí)現(xiàn)

51單片機(jī)的P3口是復(fù)用的，其中的P3.0（串行口接收線）和P3.1（發(fā)送線）可以用作一般輸入／輸出口線，也可作為串行口使用。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以在不對(duì)串行口接線作任何變動(dòng)的情況下，僅利用軟件實(shí)現(xiàn)波特率的自動(dòng)整定。

首先要完成的是方波周期的測量。為保證測量精度，共測8個(gè)方波周期的機(jī)器周期數(shù)，然后除以8（移位即可）得N。采用C／T1的模式1（16位定時(shí)器）計(jì)時(shí)，程序流程圖如圖1- 86所示。

串行通信的實(shí)現(xiàn)條件和波特率自動(dòng)整定問題