STC单片机波特率自适应方法

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1、STC 单片机波特率自适应方法作者：赵培宇 来源：现代电子技术2013年第 23期摘 要： 为了缩小电路体积、降低硬件成本，同时又保证串口稳定可靠通信，采用的一种 波特率自适应方法，该方法充分利用STC单片机运行速度快、拥有片内振荡器、片内资源丰 富的特点，在串行通信程序中，利用单片机I/O 口和定时器，对主机发送的固定字符进行测 量、计算，得到合适的波特率常数，从而实现波特率自适应。给出了设计原理、实现方法、误 差分析、流程图和部分程序，并通过应用实例验证该方法切实可行。关键词：STC单片机；串口通信；波特率选择；自适应方法中图分类号：TN911- 34； TP391文献标识码：A文章编号：

2、1004- 373X(2013)23- 0041 - 03Baud rate adaptive method for STC single- chip microcomputerZHAO Pei- yu(School of Electromechanical and Architectural Engineering， Jianghan University， Wuhan 430056， China)Abstract ： To reduce circuit volume and hardware cost， and at the same time， guarantee the stable

3、and reliable serial port communication， a baud rate adaptive method is proposed. This method makes full use of STC microcontrollers characteristics of high- speed running， on- chip oscillator， rich on- chip resources. In the serial communication program, the microcontrollers I/O port and timer are u

4、tilized to detect and calculate the fixed character transmitted by host for getting the right baud rate constant， so as to realize the baud rate self- adaption. The design principle and realization method， error analysis， flow chart and part of the program are also given in this paper. The feasibili

5、ty of the method was verified by a true example.Keywords： STC single- chip microcomputer； serial communication； baud rate selection； self- adaptive method0引言串口 RS 232是工业控制、仪器仪表、计算机外设常用的一种通信协议。串口通信的波特 率一般都是选取标准系列值，并要求通信双方严格遵循相同的波特率，实际应用中，一台设备 往往要与多种其他设备联络，为适应各种不同设备的通信速度，就要求该设备能适应不同的波 特率，实现这种要求的常见方法有两

6、种，一是增加波特率选择开关，二是设计能自动适应各种 常见通信速度的串口。第一种方法增加了硬件，同时针对不同对象需要重新设置开关，在不清 楚对方波特率的情况下还无法使用。第二种方法采用软硬件结合，通过检测、计算，自动选择 正确的波特率，实际使用极其方便。自适应波特率串口的实现方法通常有以下几种：（1）协议约定通信开始时主机固定发送1个字符，从机以不同的波特率试探接收，当接 收到的数据与约定相同时，确定该波特率即是正确的通信波特率。（2）协议约定通信开始时主机发送1串字符，从机以某固定波特率接收，然后通过软件 分析接收到的数据，计算出接收数据与发送数据之间的倍数关系，从而确定正确的波特率。（3）协

7、议约定通信开始时主机固定发送1个字符，从机用单片机定时器检测RXD上的信 号宽度，通过计算来确定主机的波特率。以上3种方法，第一种由于需要多次试探，效率很低；第二种计算量过大，不适合单片机 处理；第三种方式单片机有现成的定时器资源，计算也相对简单，所以优选这种。要测量脉冲宽度，前提是单片机的时钟信号必须稳定。目前很多STC单片机可选外接晶 振时钟或片内RC振荡时钟，片内RC振荡时钟省去了外部的晶振等元件，成本降低、电路板 的体积也可以缩小，这对成本及体积敏感的应用很具优势。但选用片内RC振荡时，频率会有 15%左右的误差，频率的稳定性也比外接晶振要差，按理论计算值设置波特率参数，无法保 证可靠

8、的通信，但按以上自适应波特率串口的第三种方法，每次通信前实测、计算、确定波特 率常数，就可以实现稳定可靠的通信，这样充分利用了 STC单片机的优势。1 STC单片机的特点标准51芯片由于定时器最高分辨率只有1 s对于较高的通信波特率来说，测量精度不 够，导致计算值不准，无法正常工作。STC系列单片机是在标准51单片机基础上发展起来 的，它增加了很多实用的接口电路，扩大了时钟的频率范围，设计出了1T时钟的芯片，可以 通过软件对系统时钟分频，并提供了片内RC振荡时钟，在目前51芯片的市场占有极大的份 额。STC系列单片机采用片内RC振荡时钟、自适应波特率串口通信技术，可以广泛地应用于 分布式控制、

9、智能仪表、通信等行业。2自适应工作原理STC单片机采用异步通信，UART工作于模式1（8位UART，波特率可变），用定时计 数器2做波特率发生器，工作于模式2（8位自动重装模式），主从机按图1方式连接，从机 自适应主机的波特率。图 1 系统连接图自适应过程由主机发送联络字符开始。为了使从机获得最大的测量脉宽，提高测量精度， 由主机发送二进制“0”。如图 2 所示，二进制“0”由 1 位起始位，8 位数据位（低位在先）及 1 位停止位构成，其中1位起始位和8位数据位全为0，所以低电平的宽度为9 b。图2 自适应波形图从机查询RXD引脚的电平，检测到低电平后就启动定时器0开始计时，再检测到高电平

10、就停止定时器0计时，根据定时器0的定时值就可以计算出主机的波特率。当时钟分频寄存器CLK_DIV=0 （不分频），特殊功能寄存器AUXR=0xC0（T0用IT时 钟），则：每位传送所需时间=lfoscT0计数值-9 （1）波特率=1每位传送所需时间=fosc- 1T0计数值x9（2）式中fosc 为从机的时钟频率。而STC51系列单片机在UART模式1,时钟模式为1T时，其波特率公式为：波特率=2SM0D fosc （256-TH1） x32 （3）由式（2），式（3）可导出UART时钟为1T时：TH1 （1T） =256-2SMOD T0 计数值 288 （4）STC51系列单片机在UART

11、模式1,时钟模式为12T时，其波特率公式为：波特率=2SM0D fosc（256-TH1）x12x32 （5）由式（2），式（5）可导出UART时钟为12T时：TH1（12T） =256-2SMOD T0 计数值 3 456 （6）从机UART在模式1下，将式（4）或式（6）计算结果作为定时器1重装值，设定通信参 数，通过串口回送应答信号给主机。主机如正确接收到从机回送的信号，就说明从机已完成波 特率自适应，可以开始正常通信了。3 误差分析为保证可靠通信，要求通信双方的波特率相对误差小于2.5%。在自适应波特率校准系统中，误差主要来自两个方面，一是定时器TO 启动和停止滞后造 成的误差AT0；

12、二是波特率发生器T1本身固有的一个机器周期误差AT1=1。由于STC51 单片机采用1T时钟定时，AT0误差只有标准51系列芯片的112,系统误差主要由AT1 决 定。以STC12C5620为例，当采用片内RC振荡，时钟频率通常在5.26.9 MHz之间。当时钟 频率为5.2 MHz，SMOD=1时，UART时钟分别按12T, 1T计算，见表1,表2。表1 UART时钟12分频时计算的波特率误差表1、表2中加粗部分表示可以选用的波特率值，由表1、表2可知，只要编程时选择合 适的时钟，在5.2 MHz时钟频率下，波特率可以在300115 200 b/s之间实现自适应，由T1 取整带来的误差在0.

13、5%以内。当系统时钟为6.9 MHz时，用同样的方法计算，也可以证明波 特率可以在300115 200 b/s之间实现自适应，由T1取整带来的误差也在0.5%以内。由此可 见，STC12C5620采用片内RC振荡，可以在300115 200 b/s之间完成波特率自适应，实现稳 定可靠的通信。表2 UART时钟1分频时计算的波特率误差4 软件流程与程序主机软件流程图如图3所示，从机软件流程图如图4所示。图3主机软件流程图图4从机软件流程图以下为C51波特率自适应程序：void main （ void）AUXR=0xC0；AUXR.7=1, T0用1T时钟；AUXR.6=1, T1 用1T时钟SC

14、ON =0x50； /SCON： mode 1， 8 b UART， enable rcvrTMOD|=0x21； /TMOD： timer 0， mode 1 ， 16 b； timer1， mode 2， 8 b reloadPCON|=0x80；TL0=0； /自适应波特率测量TH0=0； /T0 清零while（RXD）； /RXD 引脚为高等待TR0=1； /开始波特率测量while（！RXD）； /RXD 引脚为低等待TR0=0； /STOP T0RELOAD=256-（ TH0*256+TL0） /144-0.5；计算波特率常数，时钟IT, SMOD=1TH1=RELOAD；TR

15、1=1 ； /TR1 ： timer 1 runTI=1 ； /TI： set TI to send first char of UARTRI=0；REN=1；IE=0x90； /EA=1；ES=1；5 应用实例采用STC12C5620设计的重力检测开关，如图5所示。为降低成本、缩小体积，采用了片 内 RC 振荡，不设按键及显示。重力检测开关首次工作前需设定一些参数，并校准。由于没有 键盘及显示，采用和计算机联机设置、校准。本电路采用了上述的自适应波特率工作方式，由 PC机作主机，通过串口来初始化重力检测开关的各参数。图 5 重力检测开关计算机设置界面如图 6所示。图 6 计算机设置界面设置时

16、，将重力检测开关与计算机之间用RS 232线连接好，然后点击PC机软件界面上的 “连接串口” 按钮进行波特率自适应，当界面上状态栏提示“连接串口成功！”时，表示波特率自 适应工作正确完成，可以进行参数设置和校准操作。设置、校准后，重力检测开关就可脱机正 常工作了。经反复验证，该电路在300115 200 b/s波特率范围内可稳定通信工作。6结 语 该波特率自适应方法，可扩展应用于其他单片机系统，解决对方的波特率未知、或对方的 波特率有偏差而无法正常通信的问题，即使对方的波特率不是标准值也可正常工作，具有较大 的实用价值。参考文献1 南通国芯微电子有限公司.STC12C5628AD数据手册S.南

17、通：南通国芯微电子有限公 司， 2011.2 刘燕，陈兴文串行通信的波特率自动检测方法的实现J.大连民族学院学报，2008, 10(1) ： 31- 34.3 周建华，万书芹，薛忠杰.一种新颖的UART自适应波特率发生器的设计J.半导体技 术，2007，32 (12)： 1052- 1055.4 赵达飞.波特率自适应的模拟串行通信J.现代计量仪器与技术，2009 (7)： 58- 59.5 赵炯串行数据传输协议的剖析研究J.计算机工程，2004，30 (9)： 105- 108.6 马玉春串行通信协议的研究及应用J.计算机应用研究，2004 (4)： 228- 232.7 张雷，梁建武，陈英串行通信协议的研究与实现J.现代计算机，2006 (9)： 57- 59.8 严天华，周辉效率串行通信协议的设计J.单片机与嵌入式系统应用，2003 (6)： 75- 77.9 乔渠，赵国豪，王文记串行通信波特率的自动识别J.单片机与嵌入式系统应用，2007(2) ： 33- 35.10 常江，胡丹，常亮串行通信中的波特率设置和误差分析J四川工业学院学报， 2004， 23 (2)： 22- 24.作者简介：赵培宇男，1964年出生，浙江宁波人，高级工程师，主任。主要从事机电一 体化、自动化仪器仪表的教学科研工作。