串口速率，我拿什么識(shí)別你?
UART串口，作為單片機(jī)最常用的通訊接口已經(jīng)深入每一個(gè)嵌入式工程師的腦海。UART串口有著簡(jiǎn)單、實(shí)用的特性，嵌入式工程師常常用來(lái)將其作為調(diào)試系統(tǒng)的重要工具。UART串口的配置參數(shù)有很多，但是最常用，且需要修改的參數(shù)只有通訊波特速率這一個(gè)。可是這僅有的一個(gè)參數(shù)又常常給我們帶來(lái)許多困擾。那么，我們對(duì)于串口波特速率該如何識(shí)別呢?筆者在這里介紹三種識(shí)別串口速率的方法，供大家參考。
UART(Universal Asynchronous serial Receiver and Transmitter)異步串行接收/發(fā)送接口，是嵌入式系統(tǒng)里最為重要的接口之一，它不僅用于板級(jí)芯片之間的通訊，而且應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的通信和系統(tǒng)調(diào)度中。UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸，其字符數(shù)據(jù)幀格式如下圖所示：
圖1 UART字符數(shù)據(jù)幀格式
從上面圖中的幀格式可以看出，UART數(shù)據(jù)幀由1個(gè)開(kāi)始同步位，1個(gè)數(shù)據(jù)字，1個(gè)結(jié)束停止位，以及可選的校驗(yàn)位組成。由于UART為異步通訊，因此，其按位發(fā)送時(shí)必須嚴(yán)格遵守設(shè)定的波特率，而接收方也必須在相同的波特率下才能正確解析發(fā)送的字符數(shù)據(jù)。于是，接收方正確識(shí)別、配置波特率就相當(dāng)關(guān)鍵了。下面筆者根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)介紹三種識(shí)別串口波特率的方法：
窮舉法
理論上，發(fā)送波特率可以設(shè)定為任意的值，但是平時(shí)我們使用的串口速率只有這么幾種數(shù)值，如圖2所示：
圖2 常用串口波特速率
既然知道了常用串口速率，于是我們就可以一個(gè)一個(gè)試，總會(huì)有一個(gè)是成功。當(dāng)然前提是我們知道主機(jī)發(fā)送的內(nèi)容是什么，否則如何才能知道串口速率正確匹配呢!這里必須注意，在設(shè)定波特率與實(shí)際波特率成倍數(shù)的情況下，是可以讀出來(lái)數(shù)據(jù)——當(dāng)然，數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。
示波器法
示波器被秒為電子工程師的“眼睛”，我們可以就用這雙眼睛來(lái)“看”出串口發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率。這里我們先排除掉高端的帶有數(shù)字邏輯分析功能的示波器，因?yàn)?，這樣的示波器已經(jīng)遠(yuǎn)超筆者的IQ了，不是我們本篇討論的內(nèi)容。
上一部分，我們講述了波形的幀格式，這里我們就利用波形，發(fā)送一個(gè)特殊的字符0x55(1010 1010B)。從理論上面分析，這個(gè)波形應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一個(gè)按位翻轉(zhuǎn)的波形效果。圖3是筆者使用示波器采集下來(lái)的截圖：
圖3 9600bps發(fā)送0x55波形圖
看到圖3所示的波形圖，再加上理論分析，我們知道波形是按位翻轉(zhuǎn)，于是我們使用示波器的指針功能(cursor)來(lái)直接查看波特率。如圖3左上角的測(cè)量結(jié)果顯示，每位翻轉(zhuǎn)的頻率為9.615KHz，與我們?cè)O(shè)定的頻率9600kbps基本相符，可以確定此發(fā)送頻率為9600bps。
芯片自識(shí)別法
UART串口常常用來(lái)做為固件升級(jí)使用的接口，因此，其波特率要根據(jù)上位機(jī)的實(shí)際情況而定。如果環(huán)境較差時(shí)，就需要使用低波特率的通訊。這時(shí)，自動(dòng)波特率識(shí)別的方法就誕生了。下面我們以TI Stellaris里bootloader里的串口波特率自動(dòng)識(shí)別源程序?yàn)槔M(jìn)行分析：
int UARTAutoBaud(unsigned long *pulRatio){
long lPulse, lValidPulses, lTemp, lTotal;
volatile long lDelay;
// 配置systick，將其值設(shè)定為最大值;
HWREG(NVIC_ST_RELOAD) = 0xffffffff;
HWREG(NVIC_ST_CTRL) = NVIC_ST_CTRL_CLK_SRC | NVIC_ST_CTRL_ENABLE;
// 打開(kāi)引腳的邊沿觸發(fā)中斷
HWREG(GPIO_PORTA_BASE + GPIO_O_IBE) = UART_RX;
// 使能UART RXD引腳邊沿觸發(fā)中斷
HWREG(NVIC_EN0) = 1;
// 采集引腳邊沿中斷，兩個(gè)字節(jié)的邊沿
while(g_ulTickIndex < MIN_EDGE_COUNT)
{
}
// 計(jì)算systick采樣下來(lái)的值，對(duì)溢出進(jìn)行處理
for(lPulse = 0; lPulse < (MIN_EDGE_COUNT - 1); lPulse++){
lTemp = (((long)g_pulDataBuffer[lPulse] -
(long)g_pulDataBuffer[lPulse + 1]) & 0x00ffffff);
g_pulDataBuffer[lPulse] = lTemp;
}
// 此循環(huán)計(jì)算兩個(gè)連續(xù)脈沖之間的寬度
for(lPulse = 0; lPulse < (MIN_EDGE_COUNT - 1); lPulse++){
// 精確計(jì)算兩個(gè)連續(xù)脈沖之間的寬度
lTemp = (long)g_pulDataBuffer[lPulse];
lTemp -= (long)g_pulDataBuffer[lPulse + 1];
if(lTemp < 0) {
lTemp *= -1;
}
// 驗(yàn)證兩個(gè)邊沿的脈寬是否正確，其算法如下：
// abs(Pulse[n] - Pulse[n + 1]) < Pulse[n + 1] / PULSE_DETECTION_MULT
// 或者
// PULSE_DETECTION_MULT * abs(Pulse[n] - Pulse[n + 1]) < Pulse[n + 1]
if((lTemp * PULSE_DETECTION_MULT) < (long)g_pulDataBuffer[lPulse + 1]) {
lTotal += (long)g_pulDataBuffer[lPulse];
lValidPulses++;
}
else{
lValidPulses = 0;
lTotal = 0;
}
// 7個(gè)有效脈沖，就可以計(jì)算UART串口速率
if(lValidPulses == 7) {
// 將最后一個(gè)脈沖加入計(jì)數(shù)器，并計(jì)算波特率
lTotal += (long)g_pulDataBuffer[lPulse];
*pulRatio = lTotal >> 1;
// 返回成功標(biāo)識(shí)
return(0);
}
}
// 檢測(cè)失敗
return(-1);
}
UART串口有著這樣或者那樣的優(yōu)點(diǎn)，但新興的USB接口的USB DFU功能可以更加有效替代串口來(lái)完成固件升級(jí);性能優(yōu)越的CAN總線(xiàn)，其硬件價(jià)格不斷下降，而且CAN總線(xiàn)的MAC接口更多集成在最新MCU芯片上;CAN2.0B接口正在擠壓著UART接口器件的市場(chǎng);對(duì)于我們普通民眾，現(xiàn)在新型號(hào)電腦已經(jīng)沒(méi)有DB9串口座。在殘酷的現(xiàn)實(shí)下，多年后也許只有我們電子工程師才會(huì)記得曾經(jīng)的簡(jiǎn)單、實(shí)用的UART串口。
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