MSP430精準配置高速串口波特率的方法

引言
在實(shí)際項目大批量生產(chǎn)調試設備時(shí)，筆者發(fā)現同樣版本的程序在不同設備上運行時(shí)效果不一致，一部分設備串口通信正常，另外一部分串口通信不正常。通過(guò)示波器對多個(gè)設備的串口波特率及系統時(shí)鐘頻率測試，發(fā)現不同設備之間的系統時(shí)鐘頻率及波特率存在差異，與理論值不一致，用示波器測試出的系統時(shí)鐘頻率及波特率與理論值偏差較大。由于系統時(shí)鐘頻率的偏差導致波特率設置值超過(guò)了串口所允許的最大誤差值，故而導致串口通信失敗。其根本原因是系統的時(shí)鐘頻率會(huì )隨環(huán)境溫度、電壓或其他因素變化。

1 原因分析
在異步通信中，波特率是很重要的指標，表示為每秒傳送二進(jìn)制數碼的位數，反映了異步串行通信的速度。MSP430的波特率發(fā)生器使用一個(gè)分頻計數器和一個(gè)調整器來(lái)構成分頻因子，此方法能夠用較低時(shí)鐘頻率實(shí)現高速通信，從而在系統低功耗的情況下，實(shí)現高性能的串行通信。MSP430波特率發(fā)生器的時(shí)鐘源可以為通用時(shí)鐘(Universal Clock，UCLK)、輔助時(shí)鐘(Auxiliary Clock，ACLK)，子系統時(shí)鐘Subsystem Master Clock，SMCLK)。其中，ACLK通常為32 768 Hz，穩定但無(wú)法滿(mǎn)足高速串口通信；SMCLK為可配置的系統頻率，可滿(mǎn)足高速串口通信，但不穩定。SMCLK是由數字控制振蕩器(Digitallycontrolled Oscillator，DCO)的調節器模塊混合兩個(gè)頻率Fdco和Fdco+，用以產(chǎn)生介于Fdco和Fdco+1之間的頻率。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這種調制將時(shí)鐘能量擴散到一個(gè)寬帶中，減少了電磁干擾(EMI)。但這樣得到的平均頻率的調制時(shí)鐘，其負面影響的表現形式就是頻率的抖動(dòng)。
DCO頻率會(huì )隨著(zhù)溫度和電壓的變化而有所波動(dòng)，在fDCO=1 MHz時(shí)，飄移頻率隨漂移溫度變化的比例為0．1％／℃，飄移頻率隨漂移電壓變化的比例為1．9％／V。因此使用SMCLK作為串口時(shí)鐘源時(shí)，用理論頻率計算的分頻因子和實(shí)際頻率分頻因子有差異，導致串口無(wú)法通信。

2 解決方案
2．1 方案1——自動(dòng)波特率檢測模式
MSP430串口通信支持自動(dòng)波特率檢測，在這種通信模式下，在數據幀前面會(huì )有一個(gè)包含打斷／同步域的同步序列，如圖1所示。為了LIN的一致性，該模式下字符格式應為8個(gè)數據位，低位優(yōu)先，沒(méi)有奇偶校驗位和停止位，且地址位不可用。在接收打斷／同步域時(shí)，串口是不能發(fā)送數據的，如果在幀錯誤下接收到一個(gè)0H字節，那么此時(shí)發(fā)送的任何數據都會(huì )遭到破壞。由此可見(jiàn)其通信過(guò)程較復雜，使用不便。

2．2 方案2——外接高頻晶振
MSP430可外接穩定的高速晶振，但該系列芯片設計為超低功耗的單片機，如外接高頻晶振，與該系列低功耗設計理念相違背。即MCU進(jìn)入低功耗模式(Low-Power Mode，LPM)下晶振并不進(jìn)入低功耗模式，且會(huì )一直耗電，因此會(huì )增加系統的耗電量，減少續航時(shí)間。
2．3 方案3——根據時(shí)鐘源自動(dòng)計算波特率
可使用內部低頻晶振，通常為32 768 Hz。經(jīng)過(guò)DCO調節器，產(chǎn)生較高的可供串口高速通信的頻率FSMCLK。該頻率是由DCO調節器模塊在32個(gè)DCO時(shí)鐘周期內混合Fdco和Fdco+1產(chǎn)生的介于Fdco和Fdco+1之間的頻率，該調節模式從本質(zhì)上減小了電磁干擾。并且FSMCLK會(huì )在MCU進(jìn)入LPM模式后自動(dòng)關(guān)閉以節電，直至MCU退出低功耗模式。得到高頻時(shí)鐘后，可通過(guò)兩個(gè)定時(shí)器精準計算出FSMCLK，并根據該值設置波特率，此方法可消除器件差異性，以保證單片機串口在不同溫度和電壓下正常工作。該方案簡(jiǎn)單、易實(shí)現、抗電磁干擾強、省電效果好，并且從一定程度上消除了系統頻率隨溫度、電壓變化所帶來(lái)的影響。該方案優(yōu)于方案1和方案2；其實(shí)現流程如圖2所示。