多设备接口波特率不匹配的研究

引言

　　不同设备接口在传输数据时所要求的频率往往不同，而在一些仅使用一个晶振的系统上，如果一个接口的频率完全匹配，那么其他接口所使用的频率往往就不完全符合要求。例如，为了实现USB总线的48 MHz的传输频率，一般可以用12 MHz的晶振来倍频得到，而12 MHz的晶振在进行串口通信时由于与标准波特率不成倍数关系，因而期望波特率和实际波特率往往不同。

　　在波特率较低时，这种误差影响不大。例如，期望波特率为57 600 bps时，实际波特率为57 692 bps，传输正常；而当期望波特率高达115 200 bps时，则实际波特率为125 000 bps，误差较大。实验结果表明，此时如不对其进行修正，则无法进行正确传输。

　　笔者通过实验研究证明，通过使用小数波特率发生器，完全可以像低波特率时一样正确地传输，实现了多位小数的分数逼近法的算法，避免了人工计算过程，彻底实现了波特率计算和修正的自动化。

　　1  小数波特率发生器工作原理

　　当外部晶振或者VPB时钟值不是标准波特率的整数倍时，波特率的设定往往会出现偏差。通过小数波特率发生器则可减小或者消除这种偏差。

　　下面以LPC214x处理器的串口UART1为例阐述小数波特率发生器的工作原理。要使用小数波特率发生器，需要设置小数分频寄存器（U1FDR），该寄存器控制产生波特率的时钟分频器。

　　预分频器接收VPB时钟，并经过指定的小数要求产生一个输出时钟，小数由该寄存器的值决定。

　　在不使用小数波特率发生器时，UART1波特率由下式计算：

　　UART1baudrate = PCLK/(16×(256×U1DLM+U1DLL))

　　当使用小数波特率发生器时，则由下式计算：

　　UART1baudrate = ［PCLK/(16 ×(256 × U1DLM + U1DLL))］ ×(MulVal / （MulVal + DivAddVal)

　　其中PCLK为VPB总线时钟，U1DLM和U1DLL为标准的UART1波特率除数寄存器。可以看出，MulVal / (MulVal + DivAddVal)就是用来修正波特率的小数值，被称作校准系数。它由两个参数构成：DivAddVal（波特率生成欲分频除数值）和MulVal（波特率预分频乘数值）。DivAddVal和MulVal都必须为整数，且满足：

　　1 ≤ MulVal≤ 15，0 ≤ DivAddVal ≤ 15。

　　根据以上公式很容易计算串口波特率，但是实际应用中，更多的是在使用非标准晶振时确定波特率校准系数，即设定U1FDR寄存器DivAddVal和MulVal的值。确定波特率校准系数可以分如下3步进行：

　　① 确定除数锁存器的值： 根据需要的波特率bps，按照没有校准系数的波特率计算公式确定除数锁存器的值（DLM，DLL）。由于采用非标准晶振，得到的结果通常为小数。无论小数值大小，均舍弃小数部分的值，对结果进行取整操作（不是四舍五入），得到除数锁存器的值。

　　② 确定校准前的波特率： 将①得到的除数值（DLM，DLL）代入不带校准系数的串口波特率计算公式，得到未经过校准的波特率BPS。

　　③ 确定校准系数p： p=bps/BPS=MulVal/（MulVal+DivAddVal)

　　根据限制条件1≤MulVal≤15和0≤DivAddVal≤15,寻找合适的值，使得到误差尽可能小的校准系数。

　　2  多位小数的分数逼近算法

　　（1） 传统获取MulVal和DivAddVal整数值的方法

　　假设系统晶振为12 MHz，拟设定波特率bps为115 200 bps，根据前面所述校准系数的确定过程，12 000 000/(16×115 200)=6.51，取6为除数值，那么BPS=12 000 000/［16×(256×0+6)］=125 000 bps，所以p=bps/BPS=0.921 6。

　　传统获取MulVal和DivAddVal整数值的方法大多依靠经验技巧或者反复试验。如参考文献2《深入浅出ARM7LPC214x下》中，第77页描述的那样：

　　根据1 ≤ MulVal ≤ 15和0 ≤ DivAddVal ≤ 15的限制，由于系数接近1，因而DivAddVal取尽可能小的整数。多次试验取值得到12 / (1 + 12) = 0.9231与期望的系数0.9216最接近，能够使波特率误差最小，因而最后确定MulVal = 12， DivAddVal = 1。

　　显然，按照这种方法是无法完成程序自动化的，必须在每次编程之前根据波特率来人工推算出MulVal和DivAddVal的值，并且还需要大量的误差对比和反复试验，导致工作效率的降低。

　　（2） 获取MulVal和DivAddVal整数值的新方法

　　我们的问题在于寻找一个分数，它能够尽可能地接近校准系数。那么可以使用这样一种多位小数的分数逼近法，该算法认为：任何一个多位小数，无论是无理数还是有理数，均可以用一个分数来近似表示它，并可用一定的程序使其误差越来越小，直至达到所需的精确度。

　　根据该算法，可以通过程序来实现获取这两个参数的自动计算，该程序流程如图1所示。

　　图1  程序流程

　　初始化时要求找到A和B的值，使其满足B

　　利用1 ≤ MulVal ≤ 15和0 ≤ DivAddVal ≤ 15的限制作为迭代退出条件，当A的分母超过16时，B就是最优解，B1即为MulVal，而DivAddVal则等于B2-B1；同理，当B的分母超过16时，MulVal=A1，DivAddVal=A2-A1。

　　本例中程序计算出来MulVal=12，DivAddVal=1，与人工计算结果完全相同，所以使用这种算法，可以利用程序自动高效计算得出MulVal和DivAddVal整数值，不仅节省人力，而且更加科学可靠。

　　结语