林志琦, 任超越, 張 睿

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化與微機(jī)分級分布式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，通信在各方面顯得尤為重要。通信是指計算機(jī)與外界進(jìn)行信息傳輸，既包含計算機(jī)和計算機(jī)之間的傳輸，也包括計算機(jī)和外部設(shè)備，例如終端、掃描儀和移動硬盤等設(shè)備之間的傳輸[1]。單片機(jī)的串口通信是自動化工業(yè)、智能終端、光電系統(tǒng)等領(lǐng)域非常重要的信息傳輸手段。在光電系統(tǒng)中，單片機(jī)一般充當(dāng)控制器的角色，通過串口發(fā)送一定格式的數(shù)據(jù)來控制與之相連設(shè)備的動作，同時設(shè)備也會將一些自身的狀態(tài)信息反饋給單片機(jī)，供單片機(jī)進(jìn)行判斷并進(jìn)行相應(yīng)的控制[2]。例如對云臺的控制，當(dāng)鍵盤輸入信息時，單片機(jī)和軟件相互配合對信息進(jìn)行識別，根據(jù)所識別的信息向云臺中的步進(jìn)電機(jī)發(fā)出指令，實現(xiàn)對方向角、俯仰角控制、速度控制和程序控制等功能[3]。云臺控制器通常以單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)串口通信實現(xiàn)控制。

文中對標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行了改進(jìn)。標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)在進(jìn)行串口傳輸數(shù)據(jù)時存在不足，當(dāng)串口傳輸速度增加時，波特率誤差將會增大，隨著誤差的增大，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會出現(xiàn)錯誤，直接影響了串口傳輸?shù)馁|(zhì)量。文中經(jīng)過對標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)傳輸方式的改進(jìn)，串口波特率誤差明顯減小，串口傳輸質(zhì)量顯著提高。

1 51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及傳輸方式

標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)有2個16位的定時計數(shù)器，2個外部中斷，5個中斷源，1個全雙工的異步串行通信接口[4]。在標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)中，沒有專門的波特率發(fā)生器，而是由定時計數(shù)器T1的溢出作為串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩〞r基準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)剛推出時，串口的數(shù)據(jù)傳輸速率在300～2 400 bit/s，傳輸每位二進(jìn)制數(shù)的時間在416～3 300 μs之間，而當(dāng)時的51單片機(jī)指令周期為1 μs，采用8位自動加載的工作方式時，最大溢出時間為256 μs，不能達(dá)到傳輸一位數(shù)據(jù)所需的時間。為了滿足416～3 300 μs的定時時間，標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的設(shè)計者在定時T1的溢出與串行數(shù)據(jù)收發(fā)移位寄存器之間加入了一個16/32進(jìn)制可選的計數(shù)器，對定時計數(shù)器的溢出進(jìn)行分頻，使其定時時間得到延長，從而滿足416～3 300 μs的定時需求[5]，其工作原理如圖1所示。

圖1 51單片機(jī)波特率發(fā)生器工作原理圖

2 標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)串口傳輸?shù)恼`差分析

標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)每計一個數(shù)的時間為一個機(jī)器周期，一個機(jī)器周期等于12個時鐘周期，如果用12 MHz晶振時產(chǎn)生9 600 bit/s的波特率,其誤差為3.3%，它是指傳輸一位數(shù)據(jù)的誤差，當(dāng)傳輸一幀數(shù)據(jù)時的誤差為33%，隨著誤差的增大，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會出現(xiàn)錯誤，其誤差過大的原因如下：

采用波特率計算公式：

(1)

(2)

式中:X----定時器初值。

這里以晶振頻率12 MHz，SMOD=0，波特率=9 600 bit/s為例， 根據(jù)式(1)、式(2)推導(dǎo)出:

(3)

由式(3)可以看出，如果定時器初值X想得到一個整數(shù)值，那么晶振頻率必須是波特率乘以32再乘以12的整數(shù)倍，通過計算可知6、12、 24 MHz等晶振頻率都不是波特率乘以32再乘以12的整數(shù)倍，所以X不可能為整數(shù)值，然而在裝載定時器初值時，X必須為整數(shù)(因為單片機(jī)計時時只能記錄整數(shù)個時鐘周期)，所以產(chǎn)生誤差，其誤差產(chǎn)生的來源是由于T1溢出率存在誤差。選擇9 600 bit/s的波特率，傳送一個位數(shù)據(jù)所需要的時間為104.167 μs，那么

(4)

其中,T1溢出率在6、12、24 MHz等晶振頻率下(見圖1)，經(jīng)過16分頻和2分頻，在SMOD=0時，根據(jù)式(4)T1的誤差放大了32倍，造成了誤差大于3.3%無法發(fā)送準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的情況，所以51單片機(jī)在6、12、24 MHz等晶振頻率下無法產(chǎn)生任意波特率。

由于標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)的這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)串口通信速度由300～2 400 bit/s提高到9 600～115 200 bit/s,甚至256 000 bit/s時，就會出現(xiàn)誤差大于3.3%的情況，這也是標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)設(shè)計的一個缺陷。以9 600 bit/s的波特率為例進(jìn)行分析。9 600 bit/s的串行數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸每位二進(jìn)制數(shù)據(jù)所需的時間為1/9 600=104.167 μs,這時要求T1的溢出時間為104.167 μs/32=3.255 μs或104.167 μs/16=6.510 μs，在通常的12 MHz時鐘頻率下，計數(shù)時間單位是1 μs，要產(chǎn)生3.255 μs或6.510 μs的延時，只能用3 μs或4 μs近似，這時的誤差為

和

這樣采取舍入的方法誤差見表1。

由表1可見,誤差已超過了最大誤差3.3%。標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時，每3位檢測一次，以每個數(shù)據(jù)幀10位數(shù)據(jù)，能識別的最大誤差為33%計算，則每個數(shù)據(jù)位的誤差應(yīng)小于(33%)/10=3.3%。

表1 在時鐘頻率為12 MHz、波特率為9 600 bit/s的情況下傳輸每位二進(jìn)制數(shù)的時間誤差

通過上面的分析知道，在波特率增加后，每位二進(jìn)制數(shù)據(jù)位的傳輸時間變短，而這個時間的16或32分之一就更小，而這時定時計數(shù)器以1 μs為時間單位的情況下，小數(shù)點后面的舍取對定時時間的影響很大，即這個誤差被放大了16倍或32倍[6]。定時時間大一個或小一個時間單位,它們的誤差都超過了3.3%。也就是由于標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)波特率產(chǎn)生方式的特殊結(jié)構(gòu)，在6、12、24 MHz等時頻都超過了3.3%。也就是說，由于標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)波特率產(chǎn)生方式的特殊結(jié)構(gòu)，在6、12、24 MHz等時頻率下產(chǎn)生不了任意的波特率。

在實際工作中,通常采用可行的方法是選擇一個小數(shù)時鐘頻率，如11.059 2 MHz,或22.118 4 MHz，此時可以產(chǎn)生9 600，19 200和38 400的波特率，但很難產(chǎn)生57 600和115 200等其他波特率。同時由于采用非整數(shù)時鐘頻率，使得定時很難產(chǎn)生整數(shù)的定時時間。而在標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)中為了產(chǎn)生整數(shù)的定時時間,通常采用6、12、24 MHz等時鐘頻率，為了解決這一矛盾，文中提出了一種可以讓標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)在6、12、24 MHz等時鐘頻率下產(chǎn)生任意波特率的獨(dú)特、新穎的方法。

3 任意時鐘頻率下產(chǎn)生任意的波特率的方法

由以上分析可知，產(chǎn)生波特率誤差的原因由于對定時器T1的溢出時間進(jìn)行了1/16或1/32的分頻，使得定時器T1的溢出時間變短并且?guī)в行?shù)，同時誤差也被放大了,實現(xiàn)這種去掉誤差放大現(xiàn)象的方法如圖2所示。

(a) 累積誤差

(b) 特殊方法

(c) 自動重新加載

標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的波特率累計誤差信號的產(chǎn)生見圖2(a)，從圖中可以看到，收發(fā)一位串行數(shù)據(jù)的時間被平均分為16份或32份，這樣對每份的精度要求就提高了很多，如果采取特殊的方法，不是平均分配每次溢出的時間，那么就可以減小對每次溢出的精度要求，基于這種想法，我們將16次(或32次)溢出分為兩部分，一部分是連續(xù)的快速15次(或31次)溢出[7]，此時定時器T1的初值為0FFH，定時器只需一個定時脈沖就可以溢出，這樣需要15個(或31個)時間單位，另外一部分定時時間為串行數(shù)據(jù)傳輸一位所需的時間減去那15(或31個)個單位時間，此時上電初始化的TL1的值由這個時間確定：

(5)

標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的定時器工作方式為自動重新加載方式[8]，開始定時由TL1中的初值開始進(jìn)行加計數(shù)，加到0FFH后再加一溢出，同時把其他TH1中的數(shù)值0FFH自動加載到TL1中，繼續(xù)進(jìn)行第二次定時，在上電初始化時TL1滿足傳輸一位二進(jìn)制數(shù)減去15(或31)的定時時間值，這樣就可以高精度的實現(xiàn)總的溢出時間為傳輸一位二進(jìn)制數(shù)時間的波特率(發(fā)生器見圖2(b))。當(dāng)然還有一個最大的問題，這種方法只能產(chǎn)生一次，滿足要求的波特率發(fā)生器定時，因為除了第一次的定時時間為初始化時的TL1值外，以后就都是由重新加載值0FFH了，為了重復(fù)以上過程，不斷產(chǎn)生滿足要求的波特率信號，在連續(xù)送15(31)次連續(xù)快速的溢出后要重新初始化一次TL1，這個任務(wù)由定時器T0完成[9]。

將T0定時時間為傳輸一幀數(shù)據(jù)的時間[10]。在T0中斷服務(wù)程序中，對TL1重新初始化一次，TH1仍然保持0FFH不變，就可以使上面的高精度波特率發(fā)生過程不斷重復(fù)下去(見圖2(c))。

經(jīng)過在多種型號的標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)上實驗驗證時得到的實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)在6、12、24 MHz的時鐘頻率下產(chǎn)生任意的波特率的初始值

根據(jù)實驗，傳輸一位數(shù)據(jù)的時間波形如圖3所示。

(a) 改善之前

(b) 改善之后

沒有改進(jìn)之前的波形見圖3(a)，傳輸一位數(shù)據(jù)所需要的時間為94.57 μs，而理論上波特率為9 600時，所需要的時間為104.167 μs，此時傳輸每位二進(jìn)制數(shù)的誤差為-9.21%。不能準(zhǔn)確收發(fā)數(shù)據(jù)，改進(jìn)之后傳輸數(shù)據(jù)波形見圖3(b)。傳輸一位數(shù)據(jù)所需要的時間為104.63 μs，此時傳輸每位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的誤差為0.44%；數(shù)據(jù)收發(fā)無誤。

標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)在6、12、24 MHz的時鐘頻率下產(chǎn)生任意的波特率的測試程序:

#include /* special function register declarations */

void main (void)

{

PCON = 0x80;

SCON = 0x50;/* SCON: mode 1, 8-bit UART, enable rcvr */

TMOD |= 0x22; /* TMOD: timer 1, timer 0, mode 2, 8bit reload */

TH1 = 0xff; /* TH1: reload value for 1200 baud @ 16MHz */

TL1 = 237; /*show tab 1*/

TH0 = 231; /*abut baud show tab 1 */

TL0 = 231; /*show tab 1*/

TCON = 0x50; /* :timer 1 & timer 0 run whih one time */

PT0 = 1;

ET0 = 1;

EA = 1;

while (1) { /* test progrqm loop output to uart 0～255 */

char i;

for(i=0;i<255;i++)

{

SBUF=i;

while (!TI)

{}

TI=0;

}

}

}

void plus_int1(void) interrupt 1

{

TL1 = 237; /*show tab 1*/

}

4 結(jié) 語

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)串口傳輸?shù)娜毕荩岢隽宋闹刑厥飧倪M(jìn)方法，并介紹了這種特殊方法的工作原理。實驗結(jié)果證明，對標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)串口傳輸?shù)姆绞礁倪M(jìn)后，串口傳輸一位的誤差為0.44%，相比改進(jìn)之前的誤差有了明顯的改善。實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)在6、12、24 MHz等時鐘頻率下能夠產(chǎn)生任意的波特率。

[1] 李鵬.MCS-51系列單片機(jī)串行通信波特率的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2013(28):6265-6267.

[2] 宣明.微型機(jī)械及相關(guān)理論和技術(shù)[J].光學(xué)精密工程，1994,2(3):1-5.

[3] 韓雙喜.基于DSP的運(yùn)動姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].世界電子元器件，2013(2)：44-47.

[4] 陳粵初,竇振中.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1991.

[5] 李會杰，李俊廷，張偉，等.一種51系列單片機(jī)的解密方法[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,38(4):335-339.

[6] 于建群，王立鼎，劉軍山.集成毛細(xì)血管電泳芯片的結(jié)構(gòu)及其制作技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國機(jī)械工程，2003,14(2):166-175.

[7] 徐駿平,胡兵，馬平化，等.USB接口技術(shù)在激光打標(biāo)中的應(yīng)用[J].激光雜志,2006，27(3)：77-78.

[8] 陳翠華，柴金華.模數(shù)轉(zhuǎn)換與波特率設(shè)置對大氣激光語音通信質(zhì)量的影響[J].量子電子學(xué)報，2006，32(2)：225-230.

[9] 林志琦，李會杰，郎永輝，等.用四象限光電探測器獲得光斑參數(shù)[J].光學(xué)精密工程，2009,17(4):764-770.

[10] 張新寶，王海璇，周勝利，等.基于串口提高M(jìn)CU-51矩形單脈沖脈寬精度的方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2016,34(4):496-500.