单片机串行通信中波特率的自动整定

　　串行通信在波特率误差超过一定范围时，会产生错误。本节介绍的内容在51单片机上仅用软件就实现了波特率自动整定，最大程度地减小了波特率误差，因而可使串行通信的可靠性得到提高。
　　
　　51单片机具有一个全双工的串行接口，提供了多机通信功能，可方便地构成多机系统（多机容错系统、集散型多级系统），为完成大型的控制任务提供了有效的手段。用51单片机组成的多机控制系统，国内已出现多例。在这样的系统中，可靠地实现多处理器间的信息交换（串行通信）是十分重要的。本节的研究发现，波特率作为串行通信的速率，同时对通信的可靠性有重要影响。

一、正常串行通信的实现条件
　　
　　串行通信是按位传送数据的。每个数据有8或9个数据位，加上起始位和停止位构成一个串行帧。每一位占用时间T，1／T称为串行通信的波特率。理想情况下，发送机和接收机设置的波特率一致。接收机的接收控制器在串行帧每一数据位的中点进行采样，能接收到正确的数据，但要求波特率完全一致是不可能的。这就提出了一个问题：要可靠地实现串行通信，允许收发双方的波特率有多大误差？我们以一个10位的串行帧为例进行分析。

　　图1 - 85 (b)是正常工作的情形，波特率一致。在图1 - 85(a)中，接收波特率不变，而发送波特率变小，每位的时间T延长5%，在第10位采样时，就产生了错位，不能进行正常通信。对于10位的串行帧，允许的最大波特率误差不超过5%；在多机通信方式下，串行帧是11位的，允许的最大波特率误差不超过4. 5%。
　　
　　上面得到的仅仅是理想情况下的波特率误差允许上限。实际应用中，由于硬件设备的频带有限，数据位的上下跳沿要占用一定时间，每个数据位的有效时间比理想情况要短，所以对波特率误差会有更严格的要求。

二、波特率误差来源及克服办法

　　1.51单片机串行通信波特率的产生
　　
　　51单片机的串行口有4种操作模式，由串行口控制字SCON中的两位SMO和SM1设置。模式0作同步移位寄存器，与通信无关；模式2的波特率直接由机器主频fosc决定，不方便应用；常用的是模式1和模式3．分别是8位和9位异步通信口。其波特率是可变的，由机内的定时／计数器1(C／T1)来产生，波特率有以下公式：

　　
　　其中SMOD是电源控制字PCON中的一位，可编程为0或1。
　　
　　C／T1有3种工作模式：模式0为13位定时／计数器，模式1为16位定时／计数器，而模式2是可自动重装时间常数的8位定时／计数器。当需要的波特率不是太低时，一般用模式2作波特率发生器：一方面省去了用C/Ti中断服务重装时间常数的工作，更主要的是避免了因中断响应时间不同引起的波特率随机误差。对C/T,的模式2，波特率按如下公式计算：

　　
　　式中：fosc为晶振频率；TH1为时间常数。
　　
　　若采用6 MHz的晶振，用模式2可产生的最低波特率为61。对于实时控制系统，绝不会采用更低的信息传递速率（每秒6个数据）。所以，以下讨论只限于C／Ti的模式2作波特率发生器的情况。
　　
　　2．波特率误差的来源
　　
　　由式(1 -4)可知，fbit与fosc及TH1有关。首先考虑fosc对．fbit的影响。51的振荡器电路是　　由晶体及电容C1、C2构成的。XTAL1及XTAL2为外接晶体管引脚。fosc主要由晶体的固有频率决定，同时也与电容C1、C2及外界温度有一定关系。另外，晶体频率的标称值与实际值也不可能完全一致。我们曾测定过一组标称4 MHz的晶体，发现离散度达2%。由式(1-4)得：

　　这说明用有误差的fosc去计算fbit时，fbit，会产生同样大小的相对误差。
　　
　　下面考虑TH，的影响。时间常数只有8位字长，这样就必然存在量化误差。采用四舍五入后，THi的量化误差|△TH1| mAX=0.5。综合式(1-4)、(1-5)得：

　　由式(1 -6)可以看出，由量化误差产生的波特率误差与波特率成正比，与fosc成反比；并且若置SMOD-l，则可使误差减小一半。
　　
　　3．减小波特率误差的措施
　　
　　人工设置波特率，不可避免要用到fosc的标称值，这样就引入了一个误差源。采用自动整定，可以消除由fosc标称值不准确引入的误差。
　　
　　波特率自动整定可按如下的方法进行：在一个多机系统中，由系统主机产生出一个预定波特率的方波信号，从串行口发送到各从机；各从机以各自的时钟为基准测定此方波的周期所包含的机器周期数N，从N可以方便地换算出产生同样波特率需要的时间常数TH1。计算公式推导如下：
　　
　　51单片机一个机器周期的时间为δT=12/fosc，一个方波周期包含两个串行数据位，这样，每位数据占用的时间为

　　而fbit=1／T，代入式(1-4)得
　　
　　TH1的量化误差总是存在的，为减小其影响，应尽量选SMOD=1;在用式(1-7)进行计算时，要进行舍入，而不是截尾。
　　
　　采用自动整定时，波特率误差仅由TH，的量化误差引起：

　　
　　采用12 MHz晶体，fbit=4 800时可能的最大波特率误差为3.84% (SMOD=1)．可以保证正常通信。一般系统1 200的波特率就足以满足要求了。

三、波特率自动整定的实现和结论
　　
　　1．自动整定的实现
　　
　　51单片机的P3口是复用的，其中的P3.0（串行口接收线）和P3.1（发送线）可以用作一般输入／输出口线，也可作为串行口使用。利用这个特点，可以在不对串行口接线作任何变动的情况下，仅利用软件实现波特率的自动整定。
　　
　　首先要完成的是方波周期的测量。为保证测量精度，共测8个方波周期的机器周期数，然后除以8（移位即可）得N。采用C／T1的模式1（16位定时器）计时，程序流程图如图1- 86所示。

　　
　　最后得到的16 位计数值存放在TH1、TL1中，其值为8N。取SMOD=1，式(1-7)成为

至此，时间常数TH1计算完毕，接下来可进行常规的串行口初始化。若有必要，还可进行波特率误差校验。编程是很容易的，这里省略。
　　
　　2．结 论
　　
　　①串行通信中的波特率误差超过一定范围会影响通信的可靠性，在高波特率下更加严重。
　　
　　②本例给出的波特率自动整定方法对硬件不作任何变动，仅用软件即可方便实现。在12 MHz晶振下实现了4 800 b/s的高速通信，避免了人工试凑波特率的困难。
　　
　　③当串行口作为通用仪表对系统机的数据接口时，此方法尤有意义。本节的成果已用于一个通用转速表对IBM - PC的串行接口中。