C*Core芯片SCI串口波特率容限優(yōu)化

張傳演，卓秀然，孟召偉，錢 丹，李紅斌，蔡 偉

（1.中國人民解放軍73022部隊 浙江 杭州 310024；2.福建省氣象服務(wù)中心 福建 福州 350001）

串口（SCI）是微控制器（MCU）與外圍設(shè)備等進(jìn)行異步串行通信的接口[1]。C*Core系列芯片中含2個相同且獨立SCI，采用異步方式傳送數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)接受/發(fā)送速率 （波特率）統(tǒng)一，SCI模塊中有一個波特率發(fā)生器，產(chǎn)生波特率時鐘。

SCI接受器與發(fā)生器利用波特率發(fā)生器設(shè)定速率，但設(shè)定值與實際值之間具有誤差，稱為容限誤差。一定范圍的容限值，不影響SCI數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。但隨著波特率、芯片主頻大小變化，容限值會超出允許誤差范圍，造成SCI傳輸和接受的數(shù)據(jù)不匹配現(xiàn)象。確定設(shè)定波特率、主頻與波特率容限值之間關(guān)系，研究與解決傳輸與接受雙方數(shù)據(jù)不匹配問題成為C*Core芯片工程應(yīng)用中十分重要的工作。

1 C*Core芯片SCI波特率容限問題

1.1 SCI波特率的發(fā)生

SCI使用標(biāo)準(zhǔn)的異步串行傳送數(shù)據(jù)格式發(fā)送和接受串行數(shù)據(jù)[2]，串行數(shù)據(jù)格式如圖1所示，圖中含兩種幀，分別為10位和11位，幀的傳輸種類由SCI控制寄存器中的M位決定：M=1，幀長 11 位；M=0，幀長 10 位。

SCI異步傳送幀數(shù)據(jù)時，要求SCI對方按統(tǒng)一波特率接受/發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸速率相等。為了統(tǒng)一波特率，SCI發(fā)送器及接收器中都含有一個波特率發(fā)生器如圖2所示。

圖1 SCI數(shù)據(jù)格式Fig.1 SCI data format

圖2 SCI發(fā)送器框圖Fig.2 SCI transmitter block diagram

波特率發(fā)生器是一個13位的分頻器，由波特率寄存器（SCIBD）設(shè)置分頻因子（SBR[12：0]）對系統(tǒng)時鐘分頻[3]。 SCI波特率可由式（1）計算得出：

通過上式可知，波特率發(fā)生器輸出的時鐘經(jīng)16分頻后得到發(fā)送時鐘，但可直接作為接受器時鐘。SCI發(fā)送與接受端通過編程SBR[12：0]統(tǒng)一波特率。

1.2 SCI波特率容限

分頻因子SBR[12：0]由下列公式確定：SCI標(biāo)準(zhǔn)波特率被系統(tǒng)固定，如：4 800、9 600、115 200等。設(shè)定好分頻因子后，再由式（1）得SCI波特率。在C*Core芯片中，數(shù)據(jù)格式不支持浮點數(shù)，SCI波特率與分頻因子SBR[12：0]都只為整數(shù)，公式計算過程中產(chǎn)生的小數(shù)被規(guī)整，進(jìn)而產(chǎn)生規(guī)整誤差，兩次規(guī)整累積誤差導(dǎo)致接受端與發(fā)送端波特率之間誤差。例如，設(shè)系統(tǒng)時鐘40 M，標(biāo)準(zhǔn)波特率115 200位/秒，則 SBR[12：0]=21，SCI波特率計算值為：119 047，與標(biāo)準(zhǔn)波特率115 200相差3.3%。SCI容限誤差可分為兩種情況。

1.2.1 慢數(shù)據(jù)的容限

對于被接受數(shù)據(jù)的位速率慢于接收器波特率的情況，圖3顯示了在不發(fā)生噪聲錯誤和幀錯前提下，被接收數(shù)據(jù)最慢情況[4]。RT為數(shù)據(jù)采樣點。

圖3 慢數(shù)據(jù)和快接收波特率的情況Fig.3 Slow and fast data baud rate

對于M=0，幀長度為10位，接收器完成停止位采樣花費的時間為：

9位×16RT周期/位+10RT周期=154RT周期

而在此時間點上發(fā)送設(shè)備RT計數(shù)數(shù)值為：

9位×16RT周期/位+3RT周期=147RT周期

在不出現(xiàn)錯誤的情況下接收器和發(fā)送方之間波特率相差的最大百分比為：

對于M=1，幀長度為11，接收器完成停止位采樣花費的時間為：

10位×16RT周期/位+10RT周期=170RT周期

而在此時間點上發(fā)送設(shè)備對自己的RT計數(shù)數(shù)值為：

10位×16RT周期/位+3RT周期=163RT周期

令這兩個時間相等，可推出，在不出現(xiàn)錯誤的情況下接收器和發(fā)送方之間波特率相差的最大百分比為：

1.2.2 快數(shù)據(jù)的容限

對于被接受數(shù)據(jù)的位速率快于接收器波特率的情況，圖4顯示了在不發(fā)生噪聲錯誤和幀錯前提下，被接受數(shù)據(jù)最快情況。

圖4 快數(shù)據(jù)和慢接受波特率的情況Fig.4 Fast and slow data baud rate

對于M=0，幀長度為10位，接收器完成停止位采樣花費的時間為：

9位×16RT周期/位+10RT周期=154RT周期

而在此時間點上發(fā)送設(shè)備對自己的RT計數(shù)數(shù)值為：

10位×16RT周期/位=160RT周期

在不出現(xiàn)錯誤的情況下接收器和發(fā)送方之間波特率相差的最大百分比為：

對于M=1，幀長度為11同理可推出，波特率相差的最大百分比為：

1.3 C*Core芯片SCI波特率容限分析

由波特率計算公式可推出各主頻下不同標(biāo)準(zhǔn)波特率對應(yīng)的發(fā)送器與接受器波特率容限誤差最大百分比。表1為fsys=5 M時，選取的5種標(biāo)準(zhǔn)波特率對應(yīng)的波特率容限。其中分頻因子由式（2）計算得出，發(fā)送方波特率由式1得出。

表1 fsys=5 M各波特率容限Tab.1 fsys=5 M baud rate tolerance

由表知在標(biāo)準(zhǔn)波特率為56 000和115 200時，波特率容限分別達(dá)到了11.6%和35.6%超過波特率容限允許值，傳輸時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不匹配現(xiàn)象，發(fā)送8個八位數(shù)據(jù)，只接收到7個八位數(shù)據(jù)，實驗現(xiàn)象如圖5所示。圖中左邊為波特率設(shè)置等。

圖5中發(fā)送端波特率統(tǒng)一設(shè)為115 200，接收端由于容限誤差過大造成丟幀現(xiàn)象，丟失率：12.5%，在波特率為56 000時，同樣出現(xiàn)了丟幀現(xiàn)象。表2為fsys=20 M時，選取的5種標(biāo)準(zhǔn)波特率對應(yīng)的波特率容限。

波特率為115 200時，容限達(dá)到了8.5%超過最大允許波特率容限，實際傳輸時經(jīng)檢測出現(xiàn)誤幀現(xiàn)象，現(xiàn)象如圖6所示。

圖 7 中，發(fā)送器發(fā)送固定數(shù)組 a[4]={0x00，0xfe，0xea，0x32}，接收器所獲數(shù)據(jù)不符，出現(xiàn)了誤幀現(xiàn)象。

表3顯示主頻為80 M時，5種標(biāo)準(zhǔn)波特率對應(yīng)的波特率容限。

表2 fsys=20 M各波特率容限Tab.2 fsys=20 M baud rate tolerance

圖6 串口接收數(shù)據(jù)顯示Fig.6 Serial port to receive data in table

表3 fsys=80 M各波特率容限Tab.3 fsys=80 M baud rate tolerance

對比以上4表，可發(fā)現(xiàn)容限值隨主頻與標(biāo)準(zhǔn)波特率變化而變化，主頻越小、標(biāo)準(zhǔn)波特率越大可促使容限值增大。當(dāng)主頻高于一定值時，即使標(biāo)準(zhǔn)波特率設(shè)置較大，容限值依然較小。例如fsys=80 M時，波特率為115 200，容限值較小。

2 C*Core芯片SCI波特率容限優(yōu)化

C*Core模塊容限誤差主要來自小數(shù)規(guī)整誤差。優(yōu)化的核心是減少此誤差。圖7顯示了SCI模塊串口初始化部分配置程序，作用是通過設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)波特率計算分頻因子[5]。

圖7 串口初始化分頻因子計算Fig.7 Serial frequency factor calculated initialization

分頻因子SBR[12：0]為13位，計算時需分別計算高5位REG_SCIBDH[4：0]和低八位 REG_SCIBDL[7：0][6]。表 4 為運行初始化程序后，計算分頻因子值與實際值對比。

表4 分頻因子與實際值對比Tab.4 Frequency factor compared with the actual value

通過上表可知，分頻因子實際值小數(shù)被向下規(guī)整，導(dǎo)致小數(shù)部分向下規(guī)整誤差較大，其他頻率下不同標(biāo)準(zhǔn)波特率的各計算值類似。優(yōu)化算法的核心思想是在計算分頻因子的過程中，實現(xiàn)分頻因子小數(shù)正確規(guī)整，縮小分頻因子的計算值與實際值誤差，達(dá)到正常誤差范圍。在圖7基礎(chǔ)之上，下列顯示了串口初始化程序分頻因子計算優(yōu)化程序。

優(yōu)化程序中定義了臨時變量BDL1，首先判斷SBR[12：0]實際值小數(shù)部分是否大于0.5，若大于BDL1賦值為1加到SBR[12：0]低八位上，完成進(jìn) 1 功能；反之，BDL1 賦值為 0，不操作，完成舍四功能。

表5為運行優(yōu)化后的串口初始程序后，計算分頻因子值與實際值對比。

表5 優(yōu)化后分頻因子與實際值對比Tab.5 Optimized frequency factor compared with the actual value

對比表5與表4，分頻因子的誤差被顯著減小，這促使C*Core芯片中SCI模塊容限誤差顯著減小。表6列舉若干優(yōu)化前后波特率誤差對比情況。

表6 優(yōu)化前后波特率容限對比Tab.6 Baud rate tolerance compared before and after optimization

優(yōu)化后的容限不影響發(fā)送方與接受器之間數(shù)據(jù)的傳輸準(zhǔn)確性。 在實驗過程中，發(fā)送數(shù)組 a[0：4]={0x00，0xfe，0xea，0x32}，主頻 20M，標(biāo)準(zhǔn)波特率為 115 200位/秒 ，利用 SCI串口連續(xù)發(fā)送了4組共16字節(jié)的數(shù)據(jù)給接收端，沒有發(fā)現(xiàn)丟幀、誤幀現(xiàn)象。此外，SCI模塊進(jìn)行了3 200組每組1.1 M隨機數(shù)采集實驗，整個過程中沒有出現(xiàn)丟幀和誤幀現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

文中研究C*Core芯片中SCI模塊發(fā)送器與接受器之間波特率誤差即波特率容限問題。通過分析與總結(jié)芯片頻率、標(biāo)準(zhǔn)波特率與波特率容限誤差規(guī)律，設(shè)計了優(yōu)化串口初始化程序優(yōu)化程序。通過大量數(shù)據(jù)實驗證明，優(yōu)化后的串口初始化程序運行后，發(fā)送端與接受端數(shù)據(jù)傳輸沒有出現(xiàn)任何丟幀與誤幀現(xiàn)象。此外，此優(yōu)化程序也適應(yīng)于不支持浮點計算的嵌入式芯片。

[1]王宜懷，劉曉升.嵌入式應(yīng)用基礎(chǔ)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]馬鳴錦，蔣烈輝，杜威，等.基于M*CORE微控制器的嵌入式系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版版社，2003.

[3]王宜懷，朱巧明，鄭茳.C*Core與M*Core的嵌入式系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4]蘇州國芯科技有限公司.CCM3118DQ Advance Information Rev[R].蘇州：國芯公司，2003.

[5]Metrowerks CodeWarriorIDE UserGuide [EB/OL].2000[2010-11-20].http：//read.pudn.com/downloads14/ebook/55460/ADS_CodeWarrior_IDEGuide.pdf.

[6]Motorola.MMC2107 Technical Data MMC2107/DRev.2[EB/OL].Seattle：Motorola inc，2000[2011-9-2].http：//www.motorolasolutions.com/CN-ZH/Home.