串行通信波特率的自動(dòng)識(shí)別

對(duì)于異步串行通信，只有在通信雙方波特率相同時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸與接收；而一些系統(tǒng)總是希望能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種波特率的兼容。通常的實(shí)現(xiàn)方法是，要求對(duì)方首先發(fā)出規(guī)定的字符或數(shù)據(jù)，系統(tǒng)收到該字符或數(shù)據(jù)后，計(jì)算對(duì)方的波特率．以適應(yīng)對(duì)方的波特率進(jìn)行工作，例如某些無(wú)線收發(fā)模塊、GSM通信模塊等。然而對(duì)于檢測(cè)、測(cè)試等領(lǐng)域，是不能要求被測(cè)系統(tǒng)發(fā)送某個(gè)固定的字符或數(shù)據(jù)的，那么對(duì)于這類通信系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)波特率的可靠識(shí)別呢?本文創(chuàng)新性地提出了在碼元寬度捕捉的基礎(chǔ)上求最大公約數(shù)的方法。該方法不對(duì)待測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊要求即可實(shí)現(xiàn)波特率識(shí)別，且保證了波特率識(shí)別的有效性和可靠性。下面對(duì)該方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 波特率自動(dòng)識(shí)別的傳統(tǒng)方法及基本原理
串行通信的數(shù)據(jù)是按位順序傳輸?shù)?，而異步串行通信由于沒有位定時(shí)時(shí)鐘，因此各個(gè)數(shù)據(jù)位之問需要嚴(yán)格的定時(shí)，才能保證正確的通信。也就是說，只有在通信雙方波特率相同時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸與接收。傳統(tǒng)的波特率自動(dòng)識(shí)別的方法主要有兩種：
①標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法。標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法適用于主機(jī)側(cè)的波特率必須在有限的幾個(gè)固定數(shù)值之間變化，如300～19200之間的標(biāo)準(zhǔn)值；且從機(jī)側(cè)的工作振蕩頻率已知且穩(wěn)定。從機(jī)啟動(dòng)通信程序后，逐個(gè)嘗試以不同的波特率接收主機(jī)發(fā)出的特定字符，直到能正確接收為止，因此，該方法的運(yùn)用有一定的局限性。
②碼元寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)法。該方法要求主機(jī)按照約定發(fā)送某一數(shù)據(jù)，從機(jī)通過單片機(jī)的定時(shí)器測(cè)量RXD引腳上輸入數(shù)據(jù)的碼元寬度，而后計(jì)算出待測(cè)系統(tǒng)通信的波特率。該方法目前應(yīng)用比較廣泛。例如，某GSM模塊在設(shè)計(jì)時(shí)為了適應(yīng)各種通信波特率，要求其通信的系統(tǒng)首先發(fā)送08H，之后發(fā)送指令，它就是依靠數(shù)據(jù)08H的碼元寬度計(jì)算出對(duì)方波特率的。

2 最大公約數(shù)法的原理及其實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)的方法對(duì)待測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都有一定的限制或要求才能夠?qū)崿F(xiàn)波特率的識(shí)別，但有些時(shí)候是無(wú)法約束待測(cè)系統(tǒng)首先發(fā)送特定字符的。這里，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，提出更為通用的波特率識(shí)別方法――最大公約數(shù)法。
為了便于說明問題，設(shè)主機(jī)的波特率為BPS，位傳輸時(shí)間為t1bit，測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的波特率為BAUD，位傳輸時(shí)間為txbit。以l位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位為例，通信數(shù)據(jù)格式如圖l所示。除了起始位始終為0，停止位始終為1外，8位數(shù)據(jù)位的電平高低是由傳輸?shù)臄?shù)據(jù)決定的，要測(cè)得待測(cè)系統(tǒng)的波特率，根據(jù)波特率的實(shí)際意義BPS=l／t1bit，只要檢測(cè)出待測(cè)系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的位傳輸時(shí)間t1bit即可。

位傳輸時(shí)間t1bit對(duì)應(yīng)的就是單位碼元寬度時(shí)間，只要知道單位碼元寬度時(shí)間，系統(tǒng)波特率就很容易計(jì)算出來了。由于不能要求待測(cè)系統(tǒng)按照規(guī)定發(fā)出特定的數(shù)據(jù)或字符，因此這里使用碼元寬度捕捉的方法來查找碼元寬度時(shí)間，要將單片機(jī)掛入待測(cè)系統(tǒng)的通信線路，采用對(duì)待測(cè)系統(tǒng)TXD(或RXD)引腳的高、低電平脈沖持續(xù)時(shí)間不斷采集的方式，來捕捉單位碼元寬度時(shí)間t1bit，顯然單片機(jī)直接采集到的單個(gè)高、低電平脈沖持續(xù)時(shí)間可能是nt1bit，其中1≤n≤9。如何從采集到的nt1bit找出t1bit，成為波特率識(shí)別的關(guān)鍵。
經(jīng)過對(duì)串行通信數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)進(jìn)行分析，本文提出了碼元寬度最大公約數(shù)法來從捕捉到的碼元寬度時(shí)間中計(jì)算單位碼元寬度時(shí)間，也就是位傳輸時(shí)間t1bit。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：在待測(cè)系統(tǒng)正常工作后，將測(cè)試單片機(jī)掛入其通信線路；首先對(duì)正、負(fù)脈沖寬度都進(jìn)行計(jì)時(shí)，分別采集n次，剔除正脈沖溢出的部分后，把所有不相等的有效脈沖寬度時(shí)間從小到大排序(△t5μs就認(rèn)為兩個(gè)時(shí)間相等，這一點(diǎn)在后面將有說明)，假設(shè)依次為t1，t2，t3，…，tm(1≤m≤9)；由于采集到的時(shí)間一定是t1bit的整數(shù)倍，計(jì)算出t1，t2，t3，…，tm的最大公約數(shù)為txbit，那么txbit就可以作為系統(tǒng)的最小脈沖寬度來計(jì)算波特率。這里計(jì)算得到的txbit可能等于t1bit，也可能不等于t1bit。下面分類討論其作為位傳輸時(shí)間t1bit來計(jì)算波特率的可靠性及依據(jù)。
第1種情況，txbit=t1bit：待測(cè)系統(tǒng)通信過程中出現(xiàn)最窄正脈沖或最窄負(fù)脈沖，得到的txbit等于t1bit，那么使用txbit計(jì)算波特率是可靠的；待測(cè)系統(tǒng)通信過程中未出現(xiàn)最窄正脈沖或最窄負(fù)脈沖，但系統(tǒng)通信過程中出現(xiàn)的脈沖寬度的最大公約數(shù)為最窄脈沖寬度，如待測(cè)系統(tǒng)處出現(xiàn)了2t1bit、3t1bit脈沖時(shí)間或者待測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)了4t1bit，7t1bit、8t1bit脈沖時(shí)間，此時(shí)最大公約數(shù)txbit仍等于t1bit，這種情況下波特率是可以可靠識(shí)別的。
第2種情況，txbit≠t1bit，即txbit=N’t1bit(2≤N’≤9)：若系統(tǒng)通信過程中出現(xiàn)的脈沖寬度時(shí)間都是N’t1bit的整數(shù)倍，以N’=2為例，待測(cè)系統(tǒng)通信過程中可能只出現(xiàn)類似圖2(a)所示的數(shù)據(jù)，求得的最大公約數(shù)txbit=2t1bit，BAUD=BPS／2，實(shí)際測(cè)得的波特率是被測(cè)系統(tǒng)波特率的1／2。但我們注意到，測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖2(b)所示，依次為FFH、FEH、FDH、FCH、FBH、FAH、F9H、F8H，盡管測(cè)得的波特率并不是被測(cè)系統(tǒng)波特率，但是并不會(huì)導(dǎo)致信息丟失，所有的數(shù)據(jù)都可以正確還原，因此這種情況下使用最大公約數(shù)法計(jì)算波特率也是完全可靠的。

求最大公約數(shù)需要注意的問題：
①近似相等。前面提到，檢測(cè)到的串行通信某兩個(gè)脈沖寬度時(shí)間差△t5μs就認(rèn)為兩個(gè)時(shí)間近似相等，這是由串行通信的特點(diǎn)決定的。假設(shè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求系統(tǒng)能夠識(shí)別波特率在300～38 400 bps，那么計(jì)算可得位傳輸時(shí)間t1bit為26μs≤t1bit≤3400μs；而檢測(cè)到的脈沖時(shí)間可以表達(dá)為nt1bit，其中n為自然數(shù)日1≤n≤9，那么任意兩個(gè)脈沖寬度的時(shí)間差△t=(n-1)t1bit。顯然兩個(gè)脈沖的時(shí)間差△t，要么為t1bit的整數(shù)倍，要么為O，而26μs≤t1bit≤3400μs，因此如果檢測(cè)到待測(cè)系統(tǒng)的某兩個(gè)脈沖寬度時(shí)間差△t小于5μs，那么就可以認(rèn)為兩個(gè)時(shí)間近似相等(實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，任意兩個(gè)脈沖寬度時(shí)間差都小于等于2μs，之所以有時(shí)不等于0，是由串行通信時(shí)脈沖上升沿和下降沿時(shí)間及單片機(jī)啟動(dòng)計(jì)時(shí)與結(jié)束計(jì)時(shí)帶來的誤差)。
②近似等于0。位傳輸時(shí)間t1bit為26μs≤t1bit≤3400μs，所以檢測(cè)到的脈沖寬度一定≥26μs。如果檢測(cè)到待測(cè)系統(tǒng)的脈沖寬度小于5μs，就可以認(rèn)為其近似等于O。實(shí)際上經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，直接檢測(cè)到某脈沖寬度時(shí)間小于5μs的結(jié)果是不會(huì)出現(xiàn)的。其意義在于：在計(jì)算最大公約數(shù)時(shí)，要用采集到的有效脈沖時(shí)間t1，t2，t3，…，tm分別除以最小時(shí)間t1，設(shè)余數(shù)由小到大依次為A2，A3，…，Am，此時(shí)除了與t1近似相等的余數(shù)外，還有一部分余數(shù)小于5μs，那么此時(shí)就認(rèn)為余數(shù)近似等于0，剩下的部分余數(shù)既不近似等于t1也不近似等于O。近似相等的余數(shù)只保留一個(gè)，設(shè)這些余數(shù)從小到大依次為Ax、Ay、Az(最多有3個(gè))，那么就認(rèn)為Ax、Ay、Az是計(jì)算得到的更小的脈沖寬度時(shí)間。然后用前面采集到的時(shí)間t1，t2，t3，…，tm和Ay、Az，分別除以Ax。假設(shè)余數(shù)分別為B1，B2，B3，…，Bk，如果不存在余數(shù)符合在區(qū)間(5，Ax-5)，那么Ax可以作為t1bit來計(jì)算波特率；如果存在Bx滿足條件，那么Bx就可以作為t1bit來計(jì)算被測(cè)系統(tǒng)波特率(不需要繼續(xù)求余，其依據(jù)不再贅述)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
由于波特率在3％的偏移范圍內(nèi)仍然可以正確識(shí)別和通信，因此筆者判斷不同波特率的位傳輸時(shí)間的參考區(qū)間如表1所列。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，這里也給出了不同波特率時(shí)采集到的位傳輸時(shí)間典型值與波特率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采集到的其他樣本值與典型值的最大偏差均小于1％，因此該方法實(shí)現(xiàn)波特率識(shí)別是可行、可靠的。

本文提出的碼元寬度最大公約數(shù)法實(shí)現(xiàn)波特率識(shí)別，使用C5l系列單片機(jī)及匯編語(yǔ)言即可實(shí)現(xiàn)；其算法簡(jiǎn)單，程序空間需求小，速度快，效率高。在需要實(shí)時(shí)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，可以使用按鍵中斷的方式啟動(dòng)波特率識(shí)別程序，識(shí)別完成后檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置自身的波特率與待測(cè)系統(tǒng)一致后中斷返回，進(jìn)入主程序進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過大量測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，證明該方法實(shí)現(xiàn)波特率識(shí)別是可行且可靠的，可以在不同的應(yīng)用領(lǐng)域推廣，尤其在檢測(cè)和測(cè)試領(lǐng)域有著很大的潛力。