串口速率，我拿什么识别你?

作者：jobs

　　　　UART串口，作为单片机最常用的通讯接口已经深入每一个嵌入式工程师的脑海。UART串口有着简单、实用的特性，嵌入式工程师常常用来将其作为调试系统的重要工具。UART串口的配置参数有很多，但是最常用，且需要修改的参数只有通讯波特速率这一个。可是这仅有的一个参数又常常给我们带来许多困扰。那么，我们对于串口波特速率该如何识别呢?笔者在这里介绍三种识别串口速率的方法，供大家参考。

　　UART(Universal Asynchronous serial Receiver and Transmitter)异步串行接收/发送接口，是嵌入式系统里最为重要的接口之一，它不仅用于板级芯片之间的通讯，而且应用于实现系统之间的通信和系统调度中。UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，其字符数据帧格式如下图所示：


　　图1 UART字符数据帧格式

　　从上面图中的帧格式可以看出，UART数据帧由1个开始同步位，1个数据字，1个结束停止位，以及可选的校验位组成。由于UART为异步通讯，因此，其按位发送时必须严格遵守设定的波特率，而接收方也必须在相同的波特率下才能正确解析发送的字符数据。于是，接收方正确识别、配置波特率就相当关键了。下面笔者根据实际经验介绍三种识别串口波特率的方法：

　　穷举法

　　理论上，发送波特率可以设定为任意的值，但是平时我们使用的串口速率只有这么几种数值，如图2所示：


图2 常用串口波特速率

　　既然知道了常用串口速率，于是我们就可以一个一个试，总会有一个是成功。当然前提是我们知道主机发送的内容是什么，否则如何才能知道串口速率正确匹配呢!这里必须注意，在设定波特率与实际波特率成倍数的情况下，是可以读出来数据——当然，数据是错误的。

　　示波器法

　　示波器被秒为电子工程师的“眼睛”，我们可以就用这双眼睛来“看”出串口发送数据的波特率。这里我们先排除掉高端的带有数字逻辑分析功能的示波器，因为，这样的示波器已经远超笔者的IQ了，不是我们本篇讨论的内容。

　　上一部分，我们讲述了波形的帧格式，这里我们就利用波形，发送一个特殊的字符0x55(1010 1010B)。从理论上面分析，这个波形应该会产生一个按位翻转的波形效果。图3是笔者使用示波器采集下来的截图：


　　图3 9600bps发送0x55波形图

　　看到图3所示的波形图，再加上理论分析，我们知道波形是按位翻转，于是我们使用示波器的指针功能(cursor)来直接查看波特率。如图3左上角的测量结果显示，每位翻转的频率为9.615KHz，与我们设定的频率9600kbps基本相符，可以确定此发送频率为9600bps。

芯片自识别法

　　UART串口常常用来做为固件升级使用的接口，因此，其波特率要根据上位机的实际情况而定。如果环境较差时，就需要使用低波特率的通讯。这时，自动波特率识别的方法就诞生了。下面我们以TI Stellaris里bootloader里的串口波特率自动识别源程序为例进行分析：

　　int UARTAutoBaud(unsigned long *pulRatio){

　　long lPulse, lValidPulses, lTemp, lTotal;

　　volatile long lDelay;

　　// 配置systick，将其值设定为最大值;

　　HWREG(NVIC_ST_RELOAD) = 0xffffffff;

　　HWREG(NVIC_ST_CTRL) = NVIC_ST_CTRL_CLK_SRC | NVIC_ST_CTRL_ENABLE;

　　// 打开引脚的边沿触发中断

　　HWREG(GPIO_PORTA_BASE + GPIO_O_IBE) = UART_RX;

　　// 使能UART RXD引脚边沿触发中断

　　HWREG(NVIC_EN0) = 1;

　　// 采集引脚边沿中断，两个字节的边沿

　　while(g_ulTickIndex < MIN_EDGE_COUNT)

　　{

　　}

　　// 计算systick采样下来的值，对溢出进行处理

　　for(lPulse = 0; lPulse < (MIN_EDGE_COUNT - 1); lPulse++){

　　lTemp = (((long)g_pulDataBuffer[lPulse] -

　　(long)g_pulDataBuffer[lPulse + 1]) & 0x00ffffff);

　　g_pulDataBuffer[lPulse] = lTemp;

　　}

　　// 此循环计算两个连续脉冲之间的宽度

　　for(lPulse = 0; lPulse < (MIN_EDGE_COUNT - 1); lPulse++){

　　// 精确计算两个连续脉冲之间的宽度

　　lTemp = (long)g_pulDataBuffer[lPulse];

　　lTemp -= (long)g_pulDataBuffer[lPulse + 1];

　　if(lTemp < 0) {

　　lTemp *= -1;

　　}

　　// 验证两个边沿的脉宽是否正确，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个有效脉冲，就可以计算UART串口速率

　　if(lValidPulses == 7) {

　　// 将最后一个脉冲加入计数器，并计算波特率

　　lTotal += (long)g_pulDataBuffer[lPulse];

　　*pulRatio = lTotal >> 1;

　　// 返回成功标识

　　return(0);

　　}

　　}

　　// 检测失败

　　return(-1);

　　}

　　UART串口有着这样或者那样的优点，但新兴的USB接口的USB DFU功能可以更加有效替代串口来完成固件升级;性能优越的CAN总线，其硬件价格不断下降，而且CAN总线的MAC接口更多集成在最新MCU芯片上;CAN2.0B接口正在挤压着UART接口器件的市场;对于我们普通民众，现在新型号电脑已经没有DB9串口座。在残酷的现实下，多年后也许只有我们电子工程师才会记得曾经的简单、实用的UART串口。