串口波特率誤差產(chǎn)生的原因

1、UART接口

UART全稱Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器，是一種非常常見的異步收發(fā)協(xié)議，在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。收發(fā)雙方按照約定好通訊波特率進(jìn)行配置，如果波特率不匹配會(huì)導(dǎo)致失敗。

2、分頻與波特率

使用單片機(jī)的朋友，經(jīng)常使用4800、9600、38400、115200等波特率。設(shè)計(jì)電路時(shí)經(jīng)常采用11.0592Mhz這樣“不規(guī)則”晶振，看起來不規(guī)則，實(shí)際上很規(guī)則，原因是可以精確分頻成常用波特率。

11.0592MHz=11059200=115200*96

11.0592MHz=11059200=57600*192

11.0592MHz=11059200=19200*576

有細(xì)心的朋友經(jīng)常采用11.0592Mhz晶體設(shè)計(jì)電路，調(diào)試完串口通訊之后更換為12MHz后單片機(jī)依然能夠正常通訊，并沒有出現(xiàn)通訊異常。可見波特率有少許誤差也是能夠容忍的。

3、串口如何采樣

串口接收方，在收到起始位后，延時(shí)1.5個(gè)位周期進(jìn)行第1位采樣，然后依次隔一個(gè)位周期采樣一位，直至把所有數(shù)據(jù)位采樣完成。如果接收方采樣位置正好在數(shù)據(jù)位的中間位置，那么采樣非常完美，不會(huì)出現(xiàn)問題。以下是8bit串口通訊數(shù)據(jù)格式示意圖。

注意，這里的采樣并不是只采樣一次，有些芯片會(huì)采樣多次，這里僅做示意。

4、誤差原因

如果接收方位周期略微大于發(fā)送方位周期，就會(huì)出現(xiàn)下圖所示的情況。采樣位置逐漸偏移數(shù)據(jù)位中心，bit7采樣位置偏移最嚴(yán)重。這就是波特率誤差。采樣點(diǎn)移位過多就會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)誤，導(dǎo)致通訊失敗。當(dāng)然如果接收方位周期略微小于發(fā)送方位周期，也是同樣道理。一般測特率誤差2%-3%是沒有問題的。

5、舉例

筆者正在使用的某款cortex-M3內(nèi)核芯片，需求的波特率是460800bps。串口時(shí)鐘頻率是36MHz。此款芯片波特率配置方法是串口時(shí)鐘頻率除以16，再除以分頻因子。計(jì)算出分頻因子（分頻因子只能是整數(shù)），然后寫入相應(yīng)寄存器即可。算來算去，無論如何計(jì)算都不能準(zhǔn)確分頻出460800bps。按照如下代碼計(jì)算出的分頻因子是4。然后反推出波特率是562500bps，整除失去了小數(shù)位，導(dǎo)致差距巨大，根本無法通訊。

// baud rate = (serial clock freq) / (16 * divisor).
  tmpBaudRateDiv = (clocks.PCLK_Frequency / 16) / UART_InitStruct->UART_BaudRate;

于是乎做了個(gè)優(yōu)化，如下代碼，計(jì)算出的分頻因子是5。然后反推出波特率是450,000bps，差距比較小，測試了一下通訊性能沒問題。

// baud rate = (serial clock freq) / (16 * divisor).
  tmpBaudRateDiv = ((clocks.PCLK_Frequency / 16) + UART_InitStruct->UART_BaudRate / 2) / UART_InitStruct->UART_BaudRate;

6、不建議串口高速使用

串口畢竟是一個(gè)低速的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這種異步傳輸，沒有時(shí)鐘同步信號(hào)，在傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)中采樣有誤差積累，不建議高速使用，筆者使用過幾種高波特率460800、921600、1500000等。原因是低端的單片機(jī)主頻速率較低，處理高速數(shù)據(jù)流效率低下，如需高速使用，可根據(jù)自己需求開啟串口FIFO、串口DMA、串口流控等。