【嵌入式】任意波特率的合理计算——高波特率、低误差

文章目录

    • 一、概要
    • 二、STM32F4波特率的计算方法
    • 三、高波特率、低误差的计算方法
    • 四、实验验证
      • 1.与参考手册中的典型波特率误差进行比对
      • 2.实际验证

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:
在这里插入图片描述
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
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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
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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。
【嵌入式】任意波特率的合理计算——高波特率、低误差_第4张图片
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。
在这里插入图片描述
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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。
在这里插入图片描述
在单片机中设置波特率,并打印一句“AD7606 Reset”,如下所示
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在串口助手中设置波特率为1908900,可以正常通讯,如下所示。
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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。
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