STM32的USART自动波特率检测

《前言》

    正确的USART通信要求发送和接收波特率的匹配度足够高，否则可能发生通信错误。

    当在两个设备之间建立通信链路时，自动波特率检测十分有用，因为从设备能够检测到主控制器的波特率并进行相应的自我调整。这需要使用一种自动机制来确定波特率。

    某些STM32器件中内置的USART外设提供许多功能，包括硬件自动波特率检测。

    本应用笔记旨在介绍STM32微控制器的自动波特率检测功能，并为没有在硬件中实现此功能的STM32器件提供替代软件方法。

    本应用笔记适用于表 1中所列产品。

《硬件自动波特率检测》

1、特性概述

    自动波特率检测（ABR）使接收设备能够接受来自各种以不同速率工作的发送设备的数据，无需事先建立数据速率。

    在一些STM32产品中，USART能够使用专用硬件自动确定波特率。

表 2提供了支持自动波特率检测的STM32系列设备的概述。

对于内置ABR的STM32系列设备而言，并非所有实例化USART接口均支持自动波特率检测。

表 3详细说明了这一限制。

2、自动波特率检测模式

    ABR是指接收设备通过检查第一个字符（通常是预先选择的标志字符）确定传入数据速率的过程。

    STM32产品上的自动波特率检测功能内置的各种模式基于不同字符模式：

        •以“1”位为开头的任意字符：模式0

        •以10xx模式开头的任何字符：模式1

        •0x7F：模式2

        •0x55：模式3

在激活自动波特率检测之前，必须通过USARTx_CR2寄存器中的ABRMOD[1:0]字段选择一种ABR模式。在所有ABR模式下，都会在同步数据接收期间多次检测波特率，并将每一次的检测值与上一次的检测值进行比较。

注：在7位数据长度模式下，不支持0x7F和0x55帧检测ABR模式。

3、ABR误差计算

    由USART时钟源（fCK）决定通信速率范围（尤其是最大通信速率）。接收器采用不同的用户可配置过采样技术，可区分有效输入数据和噪声，从而用于恢复数据。这可以在最大通信速率与抗噪声/时钟不准确性之间实现平衡。

    可通过编程USARTx_CR1寄存器中的OVER8位来选择过采样方法，可以是波特率时钟的16倍或8倍。

USART时钟源频率必须与预期通信速率兼容：

    •16倍过采样时，波特率介于fCK/65535与fCK/16之间。

    •8倍过采样时，波特率介于fCK/65535与fCK/8之间。

波特率误差取决于USART时钟源、过采样方法和ABR模式。

其中：

•预期波特率取决于发送设备

•实际波特率是USART接收器使用自动波特率检测操作确定的波特率。

《软件自动波特率检测》

    如果不支持硬件自动波特率检测，可采用本节描述的软件方法。

    软件方法的理念是发送0x7F数据帧到USARTx_RX引脚。这将连接到EXTI线路，该线路被配置为在每个上升沿生成中断。

使用Systick定时器测量两个上升沿之间间隔的持续时间。此持续时间对应于8位的持续时间，因此

    •位时间 = 计算的持续时间 / 8

    •波特率 = 1/位时间

然后，根据计算的波特率值进行USARTx_BRR寄存器编程。

《软件和硬件方法设置》

    此设置示例使用的是内置硬件自动波特率检测功能的STM32F303xD/E。

    PC应用“超级终端”用于向/从STM32F303发送/接收数据帧。因此，测试的是介于600bits/s至115200 bits/s之间的标准波特率。使用另一个STM32F3器件作为发送器测试可以达到的最高波特率值（9 Mbits/s）。

1、USART1配置示例

在两个示例中，STM32 USART1的配置如下：

 

/*##-1- Configure the UART peripheral ######################################*/
 /* Put the USART peripheral in the Asynchronous mode (UART Mode) */
 /* UART configured as follows:
- Word Length = 8 Bits
- Stop Bit = One Stop bit
- Parity = NONE parity
- BaudRate = 115200 baud It can be any other value as the USARTx_BRR register will be 
reprogrammed 
- Hardware flow control disabled (RTS and CTS signals)
- The oversampling mode is 8 or 16 (Both are tested) 
*/
 UartHandle.Instance = USARTx;
 UartHandle.Init.BaudRate = 115200; 
 UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
 UartHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
 UartHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
 UartHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
 UartHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
 UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

 

注：

USART1时钟源是使用HSE PLL时钟源的72 MHz系统时钟。（某些测试使用HSI时钟作为USART1时钟源来执行。这是为了检查HSI不准确性对结果的影响。）

2、硬件自动波特率检测

USART1被配置为自动检测波特率。用户必须在USART1初始化函数中选择ABR模式，如下所示：

 

/*##-2- Configure the AutoBaudRate method */
UartHandle.AdvancedInit.AdvFeatureInit =UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_INIT;
UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateEnable = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ENABLE;
/*Uncomment your appropriate mode */
//UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateMode = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ONSTARTBIT; 
//UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateMode = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ONFALLINGEDGE;
//UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateMode = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ON0X7FFRAME;
//UartHandle.AdvancedInit.AutoBaudRateMode = 
UART_ADVFEATURE_AUTOBAUDRATE_ON0X55FRAME; 
if (HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)
{
/* Initialization Error */
 Error_Handler();
}
/* Wait until Receive enable acknowledge flag is set */
while(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle,UART_FLAG_REACK) == RESET)
{} 
/* Wait until Transmit enable acknowledge flag is set */ 
while(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle,UART_FLAG_TEACK) == RESET)
{}
/* Loop until the end of Autobaudrate phase */
while(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle,UART_FLAG_ABRF) == RESET)
{}

 

在整个初始化过程完成后，USART等待从超级终端接收数据，然后开始自动波特率检测阶段。通过ABRF标志监测此阶段的结束。

    •如果自动波特率检测操作不成功，则ABRE标志置位

    •如果自动波特率检测操作成功完成，则向超级终端发送确认数据。

 

/* If AutoBaudBate error occurred */
if (__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_ABRE)!= RESET)
{
 Error_Handler();
}
else
{
 /* Wait until RXNE flag is set */
 while(__HL_UART_GET_FLAG(&UartHandle,UART_FLAG_RXNE) == RESET)
 {} 
 /* Send acknowledgement message*/
 if (HAL_UART_Transmit_DMA(&UartHandle, (uint8_t *)aTxBuffer, TXBUFFERSIZE) != HAL_OK)
 {
 /* Transfer error in transmission process */
 Error_Handler();
 }
 while (HAL_UART_GetState(&UartHandle) != HAL_UART_STATE_READY)
 {
 }
}

 

3、软件自动波特率检测

    表 5详细说明了软件方法。

4、误差计算

图 2显示ABR模式2和3的精确度高于模式0和1；它们的波特率误差值更低。

不过，由于预期波特率与实际波特率之间的误差小于1%，因此所有模式的结果均正常。

图 3显示在通常情况下，当由72 MHz系统时钟为USART提供时钟（HSE作为PLL时钟源）时，结果优于USART时钟源使用HSI时钟。这要归因于HSI的相对不准确性。

图 4显示在大多数情况下，硬件方法提供的结果优于软件方法。不过，在某些情况下，软件方法能够提供相比于使用硬件方法时更好的结果。

图 5显示：

•使用硬件方法时，达到最大波特率9 Mbits/s时误差为0%。

•使用软件方法时，达到最大波特率时误差为约30%，这要归因于执行中断处理程序所花费的CPU周期。

    《结论》

    此应用笔记描述了某些STM32器件内置的硬件自动波特率检测功能。它还提供了在软件中实现此功能的技术，作为STM32器件没有在硬件中实现此功能的解决方案。

    尽管示例中的自动波特率检测均应用在示例的开头部分，但是可以进行扩展并在每次发送和接收设备检测到通信错误时使用。当主机使用不同波特率进行通信时，这一特性可实现应用的稳健性。

审核编辑 ：李倩