波特率轉(zhuǎn)換串行異步通信協(xié)議

異步通信協(xié)議規(guī)定每個(gè)數(shù)據(jù)以相同的位串行傳送，每個(gè)串行數(shù)據(jù)自起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。

起始位：發(fā)送設(shè)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)一個(gè)邏輯“0”信號(hào)，占一位，提醒接收方準(zhǔn)備接收。

數(shù)據(jù)位：信號(hào)位數(shù)可以為5、6、7或8 位。數(shù)據(jù)位從最低有效位開(kāi)始逐位發(fā)送。

奇偶校驗(yàn)位：用于進(jìn)行有限差錯(cuò)檢測(cè)， 占一位。通信雙方需約定－致的奇偶校驗(yàn)方式。

停止位：用于標(biāo)志一個(gè)數(shù)據(jù)的傳送完畢．一般用高電平．可以為1 位、1.5位、2 位。

波特率（ Baud ）：它是以每秒傳送的二進(jìn)制位數(shù)來(lái)度量的，單位為比特/秒（b/s）。PC機(jī)常用的波特率有： 50 、75 、110、150、300、600、1200、4800、9600和19200b/s 等幾種。

串口通信，就是RS-232/RS-485通信，要求通信的雙方波特率等通信格式一樣才可以通信成功?？墒窃谠S多情況下，兩種不同格式比如不同波特率的串口也要相互通信，這就必須進(jìn)行串口波特率等格式的轉(zhuǎn)換。解決波特率轉(zhuǎn)化的途徑有兩種一是用單片機(jī)，接收時(shí)設(shè)置為跟上位PC機(jī)一致的波特事進(jìn)行接收。發(fā)送時(shí)再設(shè)置為跟下位系統(tǒng)相同的波特察發(fā)送數(shù)據(jù)；二是用FPGA ， 利用VHDL設(shè)計(jì)出異步串行通信電路，直接接收PC 機(jī)的數(shù)據(jù)，自行轉(zhuǎn)化為另一種波特率的事行數(shù)據(jù)再發(fā)送出去。

首先我們約定， PC機(jī)與FPGA 進(jìn)行串行通信的波特率為9600，信息格式為8 個(gè)數(shù)據(jù)位， 1 個(gè)停止位， 1 個(gè)奇偶校驗(yàn)位。

控制下位系統(tǒng)進(jìn)行工作的波特率為375k ，其信息格式為8 個(gè)數(shù)據(jù)位， 1 個(gè)停止位， l 個(gè)奇偶校驗(yàn)位。

對(duì)于接收Baud9600 （每位敷掘的位寬大約為104 μ s ）的數(shù)據(jù)而言， 采用的晶振必須要大于2 × 9600= 19200Hz 才行，考慮到發(fā)送數(shù)據(jù)需要產(chǎn)生375k 的時(shí)鐘，被選用能被整除的24MHz 晶振。

接收過(guò)程始于在TXD9600端檢測(cè)到負(fù)跳變時(shí)。此時(shí)，利用24MHz 的晶振分頻得來(lái)的1MHz不斷采樣， 采樣速率為波特率的104倍。。一旦檢測(cè)到負(fù)跳變， 104計(jì)數(shù)據(jù)立即復(fù)位開(kāi)始記數(shù)，當(dāng)記數(shù)到52時(shí)把此刻的采樣值寄存起來(lái)， 記數(shù)滿104時(shí)一位數(shù)據(jù)采樣完畢， 清零104 計(jì)數(shù)器，重新開(kāi)始記數(shù)，對(duì)下一位數(shù)值進(jìn)行采樣寄存。2100433B

波特率指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來(lái)表示 。

波特率發(fā)生器不是產(chǎn)生波特率的，波特率時(shí)鐘頻率/波特率因子=波特率。

波特率發(fā)生器的作用是從輸入時(shí)鐘轉(zhuǎn)換出需要的波特率clk，即波特率時(shí)鐘頻率。

一個(gè)完整的由verilog實(shí)現(xiàn)的波特率發(fā)生器：

module baud_gen(

clk_50MHz, rst_p, bclk

);

input clk_50MHz; /*輸入的系統(tǒng)時(shí)鐘，50MHz*/

input rst_p; /*復(fù)位脈沖，高電平有效*/

/* 倍頻值16乘以9600波特率，即9600*16=153600，得到波特率發(fā)生器的實(shí)際輸出信號(hào)頻率為153.6kbit/s */

output bclk; // 輸出信號(hào)：UART（串口）波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘脈沖，頻率：153.60kbps

//即每秒1536000個(gè)脈沖，*波特率發(fā)生器輸出脈沖bclk，注意：除了主頻分頻之外，

//還決定了這個(gè)信號(hào)的占空比，在本例中輸出信號(hào)占空比為 1:325

reg bclk; //寄存器數(shù)據(jù)類(lèi)型bclk

reg [8:0] cnt; //寄存器數(shù)據(jù)類(lèi)型cnt，9位，UART用它來(lái)記錄接收到的主頻脈沖個(gè)數(shù)，

//注意在修改輸出波特率值時(shí)，若占空比小于1：511，需要增加該變量所占位數(shù)

//以下語(yǔ)句利用同步計(jì)數(shù)器完成時(shí)鐘分頻，

always @(posedge clk_50MHz) begin /* 每當(dāng)信號(hào)clk_50MHz發(fā)生電平變化執(zhí)行以下語(yǔ)句 */

if(rst_p) begin /* 如果復(fù)位脈沖信號(hào)為高電平執(zhí)行以下語(yǔ)句 */

cnt <= 0; //對(duì)主頻信號(hào)計(jì)數(shù)器cnt做非阻塞方式復(fù)位賦值，賦值為邏輯0 。此后每當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)就變。

bclk <= 0; /* 寄存器變量bclk賦值為邏輯0，使該脈沖信號(hào)復(fù)位為低電平，以低電平作為開(kāi)始*/

end

else begin

/* 50MHz除以153600（UART實(shí)際頻率）等于325.5 即50_000_000 /153600 = 325.5（波特率除數(shù)） */

if(cnt > 324) begin /*如果cnt的數(shù)值大于324，即cnt計(jì)數(shù)脈沖數(shù)等于325（0-324個(gè)脈沖）*/

cnt <= 0; /* 50MHz主頻信號(hào)計(jì)數(shù)器cnt值，被非阻塞方式復(fù)位*/

bclk <= 1; /*串口波特率時(shí)鐘脈沖信號(hào)bclk賦值為邏輯1，使該脈沖信號(hào)跳變到高電平周期*/

end

else begin

cnt <= cnt 1; /* 50MHz主頻信號(hào)計(jì)數(shù)器cnt值被非阻塞方式增量賦值（加1） */

bclk <= 0; //波特率發(fā)生器時(shí)鐘脈沖信號(hào)bclk被非阻塞方式賦值為’0’，

//使該脈沖信號(hào)跳變到低電平周期*/

end

end

end

endmodule

在串行通訊中,收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)傳送率（波特率）要有一定的約定。在8051串行口的四種工作方式中,方式0和2的波特率是固定的,而方式1和3的波特率是可變的,由定時(shí)器T1的溢出率控制。

方式0

方式0的波特率固定為主振頻率的1/12。

方式2

方式2的波特率由PCON中的選擇位SMOD來(lái)決定,可由下式表示：

波特率=2的SMOD次方除以64再乘一個(gè)fosc,也就是當(dāng)SMOD=1時(shí),波特率為1/32fosc,當(dāng)SMOD=0時(shí),波特率為1/64fosc

方式1和方式3

定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器,其公式如下：

T1溢出率= T1計(jì)數(shù)率/產(chǎn)生溢出所需的周期數(shù)

式中T1計(jì)數(shù)率取決于它工作在定時(shí)器狀態(tài)還是計(jì)數(shù)器狀態(tài)。當(dāng)工作于定時(shí)器狀態(tài)時(shí),T1計(jì)數(shù)率為fosc/12;當(dāng)工作于計(jì)數(shù)器狀態(tài)時(shí),T1計(jì)數(shù)率為外部輸入頻率,此頻率應(yīng)小于fosc/24。產(chǎn)生溢出所需周期與定時(shí)器T1的工作方式、T1的預(yù)置值有關(guān)。

定時(shí)器T1工作于方式0：溢出所需周期數(shù)=8192-x 定時(shí)器T1工作于方式1：溢出所需周期數(shù)=65536-x

定時(shí)器T1工作于方式2：溢出所需周期數(shù)=256-x

因?yàn)榉绞?為自動(dòng)重裝入初值的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模式,所以用它來(lái)做波特率發(fā)生器最恰當(dāng)。

當(dāng)時(shí)鐘頻率選用11.0592MHZ時(shí),取易獲得標(biāo)準(zhǔn)的波特率,所以很多單片機(jī)系統(tǒng)選用這個(gè)看起來(lái)“怪”的晶振就是這個(gè)道理。

下表列出了定時(shí)器T1工作于方式2常用波特率及初值。

常用波特率 Fosc(MHZ) SMOD TH1初值 19200 11.0592 1 FDH 9600 11.0592 0 FDH 4800 11.0592 0 FAH 2400 11.0592 0 F4H 1200 11.0592 0 E8H

例如9600 11.0592 0 FDH

T1溢出率= T1計(jì)數(shù)率/產(chǎn)生溢出所需的周期數(shù)

產(chǎn)生溢出所需的周期數(shù)=256-FD(253)=3 SMOD=0 11059200/12*3 *1/32=9600

在串行通信中，收發(fā)雙方對(duì)發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)速率要有一定的約定，我們通過(guò)軟件對(duì)MCS—51串行口編程可約定四種工作方式。其中，方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可變的，由定時(shí)器T1的溢出率決定。

串行口的四種工作方式對(duì)應(yīng)著三種波特率。由于輸人的移位時(shí)鐘的來(lái)源不同，所以，各種方式的波特率計(jì)算公式也不同。

一、方式0的波特率

方式0時(shí)，移位時(shí)鐘脈沖由56(即第6個(gè)狀態(tài)周期，第12個(gè)節(jié)拍)給出，即每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生一個(gè)移位時(shí)鐘，發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)。所以，波特率為振蕩頻率的十二分之一，并不受 PCON寄存器中SMOD的影響，即： 方式0的波特率=fosc/12

二、方式l和方式3的波特率

方式1和方式3的移位時(shí)鐘脈沖由定時(shí)器T1的溢出率決定，故波特宰由定時(shí)器T1的 溢出率與SMOD值同時(shí)決定，即： 方式1和方式3的波特率=2SMOD/32·T1溢出率

其中，溢出率取決于計(jì)數(shù)速率和定時(shí)器的預(yù)置值。計(jì)數(shù)速率與TMOD寄存器中C/T的狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)C/T=0時(shí)，計(jì)數(shù)速率=fosc/2；當(dāng)C/T=1時(shí)，計(jì)數(shù)速率取決于外部輸入時(shí)鐘頻率。

當(dāng)定時(shí)器Tl作波特率發(fā)生器使用時(shí)，通常選用可自動(dòng)裝入初值模式(工作方式2)，在 工作方式2中，TLl作為計(jì)數(shù)用，而自動(dòng)裝入的初值放在THl中，設(shè)計(jì)數(shù)初值為x，則每過(guò)“256一x”個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器T1就會(huì)產(chǎn)生一次溢出。為了避免因溢出而引起中斷，此時(shí)應(yīng)禁止T1中斷。這時(shí)，溢出周期為：2100433B