FPGA小白学习之路（6）串口波特率问题的处理

串口波特率问题的处理

此博文一共包含三个方面的内容:(1)异步串口通信的数据格式；(2)为何串口通信中接收端采样时钟频率是传输的波特率的16倍；(3)串口波特率等概念。

1、异步串口通信的数据格式

　　串口的通信可以通过链接了解：https://wenku.baidu.com/view/7b459e47453610661ed9f4d4.html###

　　异步串口通信的数据格式如图1所示：

 

图1 异步串口通信的数据格式

　　由于在空闲状态时，传送线为逻辑“1”状态，而数据的传送总是以一个起始位“0”开始，所以当接收器检测到一个从“1”向“0”的跳变时，便视为可能的起始位（要排除干扰引起的跳变）；起始位被确认后，就知道发送器已开始发送，接收器就可以按这个数据通信格式接收后续的数据了；当检测到停止位“1”后就表明一帧字符数据已发送完毕。

　　关于接收器的设计最主要的一点是如何提高采样的准确率，最好是保证采样点处于被采样数据的时间中间点。所以，在接收采样时要用比数据波特率高n倍(n≥1)速率的时钟对数据进行采样。在本程序中用16倍波特率时钟进行采样。结合图2所示，我们讲解一下如何让采样时刻处于被采样数据的时间中间点：

图2 串口数据采样

1. 在t1时刻若检测到低电平，就开始对这个低电平进行连续的检测；

2. 当检测了8个时钟周期后，到达t2，此刻，若前面的8个周期都是低电平，则认为检测到了起始脉冲。否则就认为是干扰，重新检测。

3. 在检测到起始位后，再计数16个采样时钟周期就到达了第一个数据位的时间中间点t3,在此刻采样数据并进行保存。

4. 然后再经过16个周期，就是第二个数据位的时间中间点，在此时刻进行采样；然后，再经过16个周期，就是第三个数据位的时间中间点, 在此时刻进行采样…..一直这样采样，直到把所有的数据位采样完毕。

2、为何串口通信中接收端采样时钟频率是传输的波特率的16倍

　　增强抗干扰是原因之一
　　标准UART可以选16倍采样,也可以选64倍采样,个人觉得应该是方便分频设计.

　　标准UART的RXD前端有一个"1到0跳变检测器"，当其连续接受到8个RXD上的低电平时，该检测器就认为RXD线出现了起始位，进入接受数据状态。在接收状态，接收控制器对数据位7,8,9三个脉冲采样，并遵从三中取二的原则确定最终值。采用这一方法的根本目的还是为了增强抗干扰，提高数据传送的可靠性,采样信号总是在每个接受位的中间位置，可以避开数据位两端的边沿失真，也可以防止接受时钟频率和发送时钟频率不完全同步引起的误差。

3、串口波特率等概念

1：比特率：9600bps

　　就是每秒中传输9600bit，也就是相当于每一秒中划分成了9600等份。

　　如此，那么每1bit的时间就是1/9600秒=104.16666666666666666666666666667us。约0.1ms。既然是9600等份，即每1bit紧接着下一个比特，不存在额外的间隔。也不管是啥起始bit，数据bit，奇偶bit，停止bit。

2：帧格式，帧间隔。

　　在电脑里，也就是超级终端等的端口设置。电脑的默认端口设置，也就是默认帧格式是：8个数据bit，1个停止bit，（起始1bit 是必须的）默认无奇偶，无流控。

　　则实际就是10bit为1帧。一秒中可以发送9600/10=960个帧，也就是960字符，因为一帧里只有1个字符，1字符就是帧里面的8个数据bit

3：串口通讯

　　串口当然可以连续，没有时间间隔地发送帧，默认情形下电脑在9600bps下可以发送960帧。

　　但在实际工作中，在异步通讯下，一般需要一个交互过程，所以，电脑发送一个帧，或者若干帧，还需要等待从设备的应答，并不是一直发送的。有问有答地实现编程者的目标。

4：波特率时钟

　　实际上是比特率时钟，每1bit所要花费的时间周期。而波特率（实际是比特率）发生器生成的分频时钟实际是对每1bit进行采样的时钟，它是波特率时钟的16倍。

　　波特率发生器实质是设计一个分频器，用于产生和RS 232通信同步的时钟。在系统中用一个计数器来完成这个功能，分频系数N决定了波特率的数值。该计数器一般工作在一个频率较高的系统时钟下，当计数到 N／2时将输出置为高电平，再计数到N／2的数值后将输出置为低电平，如此反复即可得到占空比50％的波特率时钟，具体的波特率依赖于所使用的系统时钟频率和N的大小。如系统时钟频率是40 MHz，要求波特率是9 600bps，则16倍波特率时钟的周期约等于260个系统时钟周期，则计数器取260／2=130时，当计数溢出时输出电平取反就可以得到16倍约定波特率的时钟。

　　也可以这么理解：40mhz晶振，最小计数脉冲是25ns， 16倍波特率的频率就是16*9600，其时钟周期就是1/(16*9600)=6.5us  也就是以40mhz晶振作为输入的话，计数器需要计数=6500/25=260 个计数。

　　9600波特率也可理解为一种波特时钟频率，即1秒钟计数9600个，如果是16倍波特率时钟，即直接相乘就可以了。就是1秒计数9600*16=153600 。

　　1/(9600*16) 除以（1/40000000）也就是以时钟周期除了最小时钟周期得到的就是计数的个数。简化而言就是 40000000/(9600*16)=260，也就是频率直接相除就得到要分频计数器计数的个数。

　　串口通信必须要设定波特率，本设计采用的波特率为9 600 bit／s。产生波特率的时钟频率是越高越好，这样才可产生较高且精确的波特率。设计选用50M主频率要产生9600bit／s波特率，每传送一位数据需要5208.33个时钟周期。取一个最接近的数是5208，则波特率为9600．61，其误差约为0.006％，误码率很低可以确保通信正常。

5：分频系数

　　计数器很容易实现分频。可用lpm-counter实现。

　　比如分频系数是2，那么，直接用q0作为输出即可。如果分频系数是4，那么q0，q1作为有效比特。

　　总而言之，要n整数分频，即计数n后清零重计数。至于50%占空比则另外考虑。奇数分频似不易实现50%占空比。