多設備接口波特率不匹配的研究

　　不同設備接口在傳輸數據時(shí)所要求的頻率往往不同，而在一些僅使用一個(gè)晶振的系統上，如果一個(gè)接口的頻率完全匹配，那么其他接口所使用的頻率往往就不完全符合要求。例如，為了實(shí)現USB總線(xiàn)的48 MHz的傳輸頻率，一般可以用12 MHz的晶振來(lái)倍頻得到，而12 MHz的晶振在進(jìn)行串口通信時(shí)由于與標準波特率不成倍數關(guān)系，因而期望波特率和實(shí)際波特率往往不同。

　　在波特率較低時(shí)，這種誤差影響不大。例如，期望波特率為57 600 bps時(shí)，實(shí)際波特率為57 692 bps，傳輸正常；而當期望波特率高達115 200 bps時(shí)，則實(shí)際波特率為125 000 bps，誤差較大。實(shí)驗結果表明，此時(shí)如不對其進(jìn)行修正，則無(wú)法進(jìn)行正確傳輸。

　　筆者通過(guò)實(shí)驗研究證明，通過(guò)使用小數波特率發(fā)生器，完全可以像低波特率時(shí)一樣正確地傳輸，實(shí)現了多位小數的分數逼近法的算法，避免了人工計算過(guò)程，徹底實(shí)現了波特率計算和修正的自動(dòng)化。

　　1 小數波特率發(fā)生器工作原理

　　當外部晶振或者VPB時(shí)鐘值不是標準波特率的整數倍時(shí)，波特率的設定往往會(huì )出現偏差。通過(guò)小數波特率發(fā)生器則可減小或者消除這種偏差。

　　下面以L(fǎng)PC214x處理器的串口UART1為例闡述小數波特率發(fā)生器的工作原理。要使用小數波特率發(fā)生器，需要設置小數分頻寄存器（U1FDR），該寄存器控制產(chǎn)生波特率的時(shí)鐘分頻器。

　　預分頻器接收VPB時(shí)鐘，并經(jīng)過(guò)指定的小數要求產(chǎn)生一個(gè)輸出時(shí)鐘，小數由該寄存器的值決定。

　　在不使用小數波特率發(fā)生器時(shí)，UART1波特率由下式計算：

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

　　當使用小數波特率發(fā)生器時(shí)，則由下式計算：

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

　　其中PCLK為VPB總線(xiàn)時(shí)鐘，U1DLM和U1DLL為標準的UART1波特率除數寄存器?？梢钥闯?，MulVal / (MulVal + DivAddVal)就是用來(lái)修正波特率的小數值，被稱(chēng)作校準系數。它由兩個(gè)參數構成：DivAddVal（波特率生成欲分頻除數值）和MulVal（波特率預分頻乘數值）。DivAddVal和MulVal都必須為整數，且滿(mǎn)足：

　　1 ≤ MulVal≤ 15，0 ≤ DivAddVal ≤ 15。

　　根據以上公式很容易計算串口波特率，但是實(shí)際應用中，更多的是在使用非標準晶振時(shí)確定波特率校準系數，即設定U1FDR寄存器DivAddVal和MulVal的值。確定波特率校準系數可以分如下3步進(jìn)行：

　?、?確定除數鎖存器的值： 根據需要的波特率bps，按照沒(méi)有校準系數的波特率計算公式確定除數鎖存器的值（DLM，DLL）。由于采用非標準晶振，得到的結果通常為小數。無(wú)論小數值大小，均舍棄小數部分的值，對結果進(jìn)行取整操作（不是四舍五入），得到除數鎖存器的值。

　?、?確定校準前的波特率： 將①得到的除數值（DLM，DLL）代入不帶校準系數的串口波特率計算公式，得到未經(jīng)過(guò)校準的波特率BPS。

　?、?確定校準系數p： p=bps/BPS=MulVal/（MulVal+DivAddVal)

　　根據限制條件1≤MulVal≤15和0≤DivAddVal≤15,尋找合適的值，使得到誤差盡可能小的校準系數。

　　2 多位小數的分數逼近算法

　?。?） 傳統獲取MulVal和DivAddVal整數值的方法

　　假設系統晶振為12 MHz，擬設定波特率bps為115 200 bps，根據前面所述校準系數的確定過(guò)程，12 000 000/(16×115 200)=6.51，取6為除數值，那么BPS=12 000 000/［16×(256×0+6)］=125 000 bps，所以p=bps/BPS=0.921 6。

　　傳統獲取MulVal和DivAddVal整數值的方法大多依靠經(jīng)驗技巧或者反復試驗。如參考文獻2《深入淺出ARM7LPC214x下》中，第77頁(yè)描述的那樣：

　　根據1 ≤ MulVal ≤ 15和0 ≤ DivAddVal ≤ 15的限制，由于系數接近1，因而DivAddVal取盡可能小的整數。多次試驗取值得到12 / (1 + 12) = 0.9231與期望的系數0.9216最接近，能夠使波特率誤差最小，因而最后確定MulVal = 12， DivAddVal = 1。

　　顯然，按照這種方法是無(wú)法完成程序自動(dòng)化的，必須在每次編程之前根據波特率來(lái)人工推算出MulVal和DivAddVal的值，并且還需要大量的誤差對比和反復試驗，導致工作效率的降低。

　?。?） 獲取MulVal和DivAddVal整數值的新方法

　　我們的問(wèn)題在于尋找一個(gè)分數，它能夠盡可能地接近校準系數。那么可以使用這樣一種多位小數的分數逼近法，該算法認為：任何一個(gè)多位小數，無(wú)論是無(wú)理數還是有理數，均可以用一個(gè)分數來(lái)近似表示它，并可用一定的程序使其誤差越來(lái)越小，直至達到所需的精確度。

　　根據該算法，可以通過(guò)程序來(lái)實(shí)現獲取這兩個(gè)參數的自動(dòng)計算，該程序流程如圖1所示。

　　圖1 程序流程

　　初始化時(shí)要求找到A和B的值，使其滿(mǎn)足B

　　利用1 ≤ MulVal ≤ 15和0 ≤ DivAddVal ≤ 15的限制作為迭代退出條件，當A的分母超過(guò)16時(shí)，B就是最優(yōu)解，B1即為MulVal，而DivAddVal則等于B2-B1；同理，當B的分母超過(guò)16時(shí)，MulVal=A1，DivAddVal=A2-A1。

　　本例中程序計算出來(lái)MulVal=12，DivAddVal=1，與人工計算結果完全相同，所以使用這種算法，可以利用程序自動(dòng)高效計算得出MulVal和DivAddVal整數值，不僅節省人力，而且更加科學(xué)可靠。

　　結語(yǔ)

　　計算機系統中的各種設備接口所要求的頻率往往不同，當只配備一個(gè)晶振時(shí)，有一些設備頻率完全匹配而另外一些設備則可能無(wú)法完全匹配。作者通過(guò)對使用12 MHz晶振的LPC214xCPU進(jìn)行串口通信時(shí)產(chǎn)生的誤差研究發(fā)現，當期望波特率在57 600 bps以下時(shí)，實(shí)際波特率與其誤差較小，可以正常通信；而當期望波特率為115 200 bps時(shí)，實(shí)際波特率為125 000 bps，在這樣大的誤差下如果不修正實(shí)際波特率根本無(wú)法進(jìn)行正確的通信；而當通過(guò)設置使用小數波特率發(fā)生器校準非標準頻率晶振所引起的波特率誤差時(shí)，可以讓期望波特率高達115 200 bps的實(shí)際波特率為115 384 bps，誤差僅為184，通信完全正常。另外，在計算小數分頻寄存器中的設置值時(shí)首次引入了科學(xué)的數學(xué)算法，摒棄了傳統工程師使用經(jīng)驗技巧和反復試驗獲取MulVal和DivAddVal值的人工方法，實(shí)現了由程序自動(dòng)、正確、快速地獲取設置寄存器參數值的目的，不僅提高了工作效率，更重要的是完全實(shí)現了自動(dòng)化，無(wú)需再人工干預。