串行通信波特率的自動(dòng)識別

對于異步串行通信，只有在通信雙方波特率相同時(shí)，才能實(shí)現數據的正確傳輸與接收；而一些系統總是希望能實(shí)現對各種波特率的兼容。通常的實(shí)現方法是，要求對方首先發(fā)出規定的字符或數據，系統收到該字符或數據后，計算對方的波特率．以適應對方的波特率進(jìn)行工作，例如某些無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、GSM通信模塊等。然而對于檢測、測試等領(lǐng)域，是不能要求被測系統發(fā)送某個(gè)固定的字符或數據的，那么對于這類(lèi)通信系統，如何實(shí)現波特率的可靠識別呢?本文創(chuàng )新性地提出了在碼元寬度捕捉的基礎上求最大公約數的方法。該方法不對待測系統發(fā)送的數據進(jìn)行特殊要求即可實(shí)現波特率識別，且保證了波特率識別的有效性和可靠性。下面對該方法進(jìn)行詳細說(shuō)明。

1 波特率自動(dòng)識別的傳統方法及基本原理
串行通信的數據是按位順序傳輸的，而異步串行通信由于沒(méi)有位定時(shí)時(shí)鐘，因此各個(gè)數據位之問(wèn)需要嚴格的定時(shí)，才能保證正確的通信。也就是說(shuō)，只有在通信雙方波特率相同時(shí)，才能實(shí)現數據的正確傳輸與接收。傳統的波特率自動(dòng)識別的方法主要有兩種：
①標準波特率窮舉法。標準波特率窮舉法適用于主機側的波特率必須在有限的幾個(gè)固定數值之間變化，如300～19200之間的標準值；且從機側的工作振蕩頻率已知且穩定。從機啟動(dòng)通信程序后，逐個(gè)嘗試以不同的波特率接收主機發(fā)出的特定字符，直到能正確接收為止，因此，該方法的運用有一定的局限性。
②碼元寬度實(shí)時(shí)檢測法。該方法要求主機按照約定發(fā)送某一數據，從機通過(guò)單片機的定時(shí)器測量RXD引腳上輸入數據的碼元寬度，而后計算出待測系統通信的波特率。該方法目前應用比較廣泛。例如，某GSM模塊在設計時(shí)為了適應各種通信波特率，要求其通信的系統首先發(fā)送08H，之后發(fā)送指令，它就是依靠數據08H的碼元寬度計算出對方波特率的。

2 最大公約數法的原理及其實(shí)現
傳統的方法對待測系統發(fā)送的數據都有一定的限制或要求才能夠實(shí)現波特率的識別，但有些時(shí)候是無(wú)法約束待測系統首先發(fā)送特定字符的。這里，根據不同的應用需求，提出更為通用的波特率識別方法――最大公約數法。
為了便于說(shuō)明問(wèn)題，設主機的波特率為BPS，位傳輸時(shí)間為t1bit，測試系統測得的波特率為BAUD，位傳輸時(shí)間為txbit。以l位起始位、8位數據位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗位為例，通信數據格式如圖l所示。除了起始位始終為0，停止位始終為1外，8位數據位的電平高低是由傳輸的數據決定的，要測得待測系統的波特率，根據波特率的實(shí)際意義BPS=l／t1bit，只要檢測出待測系統通信數據的位傳輸時(shí)間t1bit即可。

位傳輸時(shí)間t1bit對應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，系統波特率就很容易計算出來(lái)了。由于不能要求待測系統按照規定發(fā)出特定的數據或字符，因此這里使用碼元寬度捕捉的方法來(lái)查找碼元寬度時(shí)間，要將單片機掛入待測系統的通信線(xiàn)路，采用對待測系統TXD(或RXD)引腳的高、低電平脈沖持續時(shí)間不斷采集的方式，來(lái)捕捉單位碼元寬度時(shí)間t1bit，顯然單片機直接采集到的單個(gè)高、低電平脈沖持續時(shí)間可能是nt1bit，其中1≤n≤9。如何從采集到的nt1bit找出t1bit，成為波特率識別的關(guān)鍵。
經(jīng)過(guò)對串行通信數據格式的特點(diǎn)進(jìn)行分析，本文提出了碼元寬度最大公約數法來(lái)從捕捉到的碼元寬度時(shí)間中計算單位碼元寬度時(shí)間，也就是位傳輸時(shí)間t1bit。具體實(shí)現方法如下：在待測系統正常工作后，將測試單片機掛入其通信線(xiàn)路；首先對正、負脈沖寬度都進(jìn)行計時(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就認為兩個(gè)時(shí)間相等，這一點(diǎn)在后面將有說(shuō)明)，假設依次為t1，t2，t3，…，tm(1≤m≤9)；由于采集到的時(shí)間一定是t1bit的整數倍，計算出t1，t2，t3，…，tm的最大公約數為txbit，那么txbit就可以作為系統的最小脈沖寬度來(lái)計算波特率。這里計算得到的txbit可能等于t1bit，也可能不等于t1bit。下面分類(lèi)討論其作為位傳輸時(shí)間t1bit來(lái)計算波特率的可靠性及依據。
第1種情況，txbit=t1bit：待測系統通信過(guò)程中出現最窄正脈沖或最窄負脈沖，得到的txbit等于t1bit，那么使用txbit計算波特率是可靠的；待測系統通信過(guò)程中未出現最窄正脈沖或最窄負脈沖，但系統通信過(guò)程中出現的脈沖寬度的最大公約數為最窄脈沖寬度，如待測系統處出現了2t1bit、3t1bit脈沖時(shí)間或者待測系統出現了4t1bit，7t1bit、8t1bit脈沖時(shí)間，此時(shí)最大公約數txbit仍等于t1bit，這種情況下波特率是可以可靠識別的。
第2種情況，txbit≠t1bit，即txbit=N’t1bit(2≤N’≤9)：若系統通信過(guò)程中出現的脈沖寬度時(shí)間都是N’t1bit的整數倍，以N’=2為例，待測系統通信過(guò)程中可能只出現類(lèi)似圖2(a)所示的數據，求得的最大公約數txbit=2t1bit，BAUD=BPS／2，實(shí)際測得的波特率是被測系統波特率的1／2。但我們注意到，測得的數據如圖2(b)所示，依次為FFH、FEH、FDH、FCH、FBH、FAH、F9H、F8H，盡管測得的波特率并不是被測系統波特率，但是并不會(huì )導致信息丟失，所有的數據都可以正確還原，因此這種情況下使用最大公約數法計算波特率也是完全可靠的。

求最大公約數需要注意的問(wèn)題：
①近似相等。前面提到，檢測到的串行通信某兩個(gè)脈沖寬度時(shí)間差△t5μs就認為兩個(gè)時(shí)間近似相等，這是由串行通信的特點(diǎn)決定的。假設采集系統設計指標要求系統能夠識別波特率在300～38 400 bps，那么計算可得位傳輸時(shí)間t1bit為26μs≤t1bit≤3400μs；而檢測到的脈沖時(shí)間可以表達為nt1bit，其中n為自然數日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的整數倍，要么為O，而26μs≤t1bit≤3400μs，因此如果檢測到待測系統的某兩個(gè)脈沖寬度時(shí)間差△t小于5μs，那么就可以認為兩個(gè)時(shí)間近似相等(實(shí)驗結果表明，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)間及單片機啟動(dòng)計時(shí)與結束計時(shí)帶來(lái)的誤差)。
②近似等于0。位傳輸時(shí)間t1bit為26μs≤t1bit≤3400μs，所以檢測到的脈沖寬度一定≥26μs。如果檢測到待測系統的脈沖寬度小于5μs，就可以認為其近似等于O。實(shí)際上經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗，直接檢測到某脈沖寬度時(shí)間小于5μs的結果是不會(huì )出現的。其意義在于：在計算最大公約數時(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，設余數由小到大依次為A2，A3，…，Am，此時(shí)除了與t1近似相等的余數外，還有一部分余數小于5μs，那么此時(shí)就認為余數近似等于0，剩下的部分余數既不近似等于t1也不近似等于O。近似相等的余數只保留一個(gè)，設這些余數從小到大依次為Ax、Ay、Az(最多有3個(gè))，那么就認為Ax、Ay、Az是計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。假設余數分別為B1，B2，B3，…，Bk，如果不存在余數符合在區間(5，Ax-5)，那么Ax可以作為t1bit來(lái)計算波特率；如果存在Bx滿(mǎn)足條件，那么Bx就可以作為t1bit來(lái)計算被測系統波特率(不需要繼續求余，其依據不再贅述)。

3 實(shí)驗結果及結論
由于波特率在3％的偏移范圍內仍然可以正確識別和通信，因此筆者判斷不同波特率的位傳輸時(shí)間的參考區間如表1所列。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗與測試，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應關(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)現波特率識別是可行、可靠的。

本文提出的碼元寬度最大公約數法實(shí)現波特率識別，使用C5l系列單片機及匯編語(yǔ)言即可實(shí)現；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)檢測與數據處理的應用設計中，可以使用按鍵中斷的方式啟動(dòng)波特率識別程序，識別完成后檢測系統設置自身的波特率與待測系統一致后中斷返回，進(jìn)入主程序進(jìn)行通信和數據處理。經(jīng)過(guò)大量測試和實(shí)驗，證明該方法實(shí)現波特率識別是可行且可靠的，可以在不同的應用領(lǐng)域推廣，尤其在檢測和測試領(lǐng)域有著(zhù)很大的潛力。