【嵌入式】任意波特率的合理计算——高波特率、低误差

一、概要

使用UART串口时往往比较喜欢配置波特率为标准的9600、115200等，而实际应用中需要更高的波特率。如果在配置UART波特率时任意输入一个很高的波特率，如200000，那么很有可能因为单片机的波特率寄存器配置方法，导致实际的波特率与200000相差很大，往往当误差大于2%时就不能稳定通讯了。因此，在获得尽量高的波特率的同时，还要保证尽量小的波特率误差，最粗暴的方式就是把目标波特率范围内的所有波特率都算一遍，然后取波特率高且误差小的。

二、STM32F4波特率的计算方法

以stm32f4系列为例，其波特率的计算方法如下，公式1:

1.fCK为UART外设的运行频率，stm32f4中为主频的一半；
2.OVER8是8倍过采样、16倍过采样的选择寄存位，当其设置为0时，表示使用16倍过采样，当其设置为1时，表示使用8倍过采样；
3.USARTDIV 是一个存放在 USART_BRR 寄存器中的无符号定点数，当 OVER8=0 时，小数部分编码为 4 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[3:0] 位编程，当 OVER8=1 时，小数部分编码为 3 位并通过 USART_BRR 寄存器中的 DIV_fraction[2:0] 位编程，此时 DIV_fraction[3] 位必须保持清零状态。
USART_BRR寄存器的内容如下所示

由USART_BRR计算USARTDIV的步骤在参考手册里已经做了如下示例说明

三、高波特率、低误差的计算方法

有了以上的理论基础，那么就可以在matlab中进行编程了。具体思路为：由初始初始波特率到截至期望波特率，按100进行步进增加；每次的波特率计算出USARTDIV后，按照STM32写USART_BRR的方式写到DIV_Mantissa与DIV_Fraction中；然后按照USART_BRR中的DIV_Mantissa与DIV_Fraction的值对实际波特率按公式1进行计算；最后得出期望波特率与实际波特率的误差，只存储误差小于2%的记录。这样一来，我们就可以获得高波特率，且低误差的波特率了，按照此波特率进行设置没有问题。
具体程序如下，备注已经写的非常清楚了，可以拿来就用。如果你的使用情景和我不同，那么只可能改以下三个地方：
1.uart_fclk的设置，具体按你的主频来，主频除以2就是uart_fclk；
2.uart_overSample的设置，一般默认是按16倍过采样，如果你用了8倍，改成8即可；
3.for baud=9600: 100:5000000，初始期望波特率与截至期望波特率。

%存放波特率和误差的数组，第一列存期望波特率，第二列存实际波特率，第三列存误差
resArr = 1;
%resArr数组的写指针
pWresArr = 1;
%usart外设的频率，挂载在APB1总线上，主频168M时usart外设频率为84MHz,可根据实际情况调整
uart_fclk = 84000000;
%默认的16倍过采样,OVER8=1时为8
uart_overSample = 16;
%USARTDIV的值
uart_div = 0;
%USARTDIV在USART_BRR寄存器中的整数部分
DIV_Mantissa = 0;
%USARTDIV的小数部分
DIV_Fraction = 0;
%实际波特率
true_baudrate = 0;

%从波特率9600开始算，直到5M，步进值100
for baud=9600:100:5000000
    %第一步，计算当前波特率算出的USARTDIV，并按16倍过采样保存到小数点后四位
    uart_div = uart_fclk / (baud * uart_overSample);
    uart_div = roundn(uart_div,-4);
    %第二步，获得USARTDIV的小数部分，乘以16后四舍五入到整数
    DIV_Fraction = uart_div - floor(uart_div);
    DIV_Fraction = round(DIV_Fraction * uart_overSample);
    %第三步，计算真实的波特率
    %此时USART_BRR寄存器中存储了USARTDIV的整数部分DIV_Mantissa和其小数部分DIV_Fraction
    DIV_Mantissa = floor(uart_div);
    true_baudrate = uart_fclk / (uart_overSample * (DIV_Mantissa + roundn(DIV_Fraction/16,-4)));
    %第四步，计算实际波特率和期望波特率的百分比误差，通常小于2%可认为可以比较稳定的通讯
    diff = (true_baudrate - baud) / baud *100;
    if(diff <= 2 && diff >= -2) 
        %存期望波特率到resArr
        resArr(pWresArr,1) = baud;
        %存实际波特率到resArr
        resArr(pWresArr,2) = true_baudrate;
        %存百分比误差到resArr
        resArr(pWresArr,3) = diff;
        %resArr写指针加1
        pWresArr = pWresArr + 1;
    end
end

四、实验验证

1.与参考手册中的典型波特率误差进行比对

运行matlab程序后，在resArr里便输出了结果，在STM32F4参考手册中给出了许多典型波特率以及其误差，如下所示，由于程序里设置的频率为84MHz，故只关心红框部分即可。

在我们的resArr中分别找到这几个典型波特率，发现与官方表格结果完全一致。

2.实际验证

在resArr中选一个较大的波特率，因为resArr之中只保存了误差小于2%的结果，所以，放心大胆的选把。这里随便选一个，1.9M，相当快的波特率了。

在单片机中设置波特率，并打印一句“AD7606 Reset”，如下所示


在串口助手中设置波特率为1908900，可以正常通讯，如下所示。

最后，由于使用的ttl转USB模块用的是CH340芯片，其最大波特率为2M，所以更高波特率的就暂时没法测了。