STC单片机波特率自适应方法

　　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。

　　0 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。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，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 芯片由于定时器分辨率只有1 μs,对于较高的通信波特率来说，测量不够，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、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。

　　自适应过程由主机发送联络字符开始。为了使从机获得的测量脉宽，提高测量，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.

　　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1T 时钟），则：

　　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：

　　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T0 启动和停止滞后造成的误差ΔT0;二是波特率发生器T1 本身固有的一个机器周期误差ΔT1 = ±1.由于STC51单片机采用1T 时钟定时，ΔT0 误差只有标准51系列芯片的1 12,系统误差主要由ΔT1 决定。

　　以STC12C5620为例，当采用片内RC振荡，时钟频率通常在5.2~6.9 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、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300~115 200 b/s 之间实现自适应，由T1 取整带来的误差在0.5%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300~115 200 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300~115 200 b/s之间完成波特率自适应，实现稳定可靠的通信。

　　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。

　　以下为C51波特率自适应程序：

　　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。

　　设置时，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， 如图6所示，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300~115 200 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。（作者：赵培宇）