單片機(jī)MSP430精準(zhǔn)配置高速串口波特率的方法

在實際項目大批量生產(chǎn)調(diào)試設(shè)備時，筆者發(fā)現(xiàn)同樣版本的程序在不同設(shè)備上運(yùn)行時效果不一致，一部分設(shè)備串口通信正常，另外一部分串口通信不正常。通過示波器對多個設(shè)備的串口波特率及系統(tǒng)時鐘頻率測試，發(fā)現(xiàn)不同設(shè)備之間的系統(tǒng)時鐘頻率及波特率存在差異，與理論值不一致，用示波器測試出的系統(tǒng)時鐘頻率及波特率與理論值偏差較大。由于系統(tǒng)時鐘頻率的偏差導(dǎo)致波特率設(shè)置值超過了串口所允許的最大誤差值，故而導(dǎo)致串口通信失敗。其根本原因是系統(tǒng)的時鐘頻率會隨環(huán)境溫度、電壓或其他因素變化。

1 原因分析
在異步通信中，波特率是很重要的指標(biāo)，表示為每秒傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，反映了異步串行通信的速度。MSP430的波特率發(fā)生器使用一個分頻計數(shù)器和一個調(diào)整器來構(gòu)成分頻因子，此方法能夠用較低時鐘頻率實現(xiàn)高速通信，從而在系統(tǒng)低功耗的情況下，實現(xiàn)高性能的串行通信。MSP430波特率發(fā)生器的時鐘源可以為通用時鐘(Universal CLOCk，UCLK)、輔助時鐘(Auxiliary Clock，ACLK)，子系統(tǒng)時鐘Subsystem Master Clock，SMCLK)。其中，ACLK通常為32 768Hz，穩(wěn)定但無法滿足高速串口通信；SMCLK為可配置的系統(tǒng)頻率，可滿足高速串口通信，但不穩(wěn)定。SMCLK是由數(shù)字控制振蕩器(DigitallycontrolLEDOscillator，DCO)的調(diào)節(jié)器模塊混合兩個頻率Fdco和Fdco+，用以產(chǎn)生介于Fdco和Fdco+1之間的頻率。從本質(zhì)上來說，這種調(diào)制將時鐘能量擴(kuò)散到一個寬帶中，減少了電磁干擾(EMI)。但這樣得到的平均頻率的調(diào)制時鐘，其負(fù)面影響的表現(xiàn)形式就是頻率的抖動。
DCO頻率會隨著溫度和電壓的變化而有所波動，在fDCO=1 MHz時，飄移頻率隨漂移溫度變化的比例為0．1％／℃，飄移頻率隨漂移電壓變化的比例為1．9％／V。因此使用SMCLK作為串口時鐘源時，用理論頻率計算的分頻因子和實際頻率分頻因子有差異，導(dǎo)致串口無法通信。

2 解決方案
2．1 方案1——自動波特率檢測模式
MSP430串口通信支持自動波特率檢測，在這種通信模式下，在數(shù)據(jù)幀前面會有一個包含打斷／同步域的同步序列，如圖1所示。為了LIN的一致性，該模式下字符格式應(yīng)為8個數(shù)據(jù)位，低位優(yōu)先，沒有奇偶校驗位和停止位，且地址位不可用。在接收打斷／同步域時，串口是不能發(fā)送數(shù)據(jù)的，如果在幀錯誤下接收到一個0H字節(jié)，那么此時發(fā)送的任何數(shù)據(jù)都會遭到破壞。由此可見其通信過程較復(fù)雜，使用不便。

2．2 方案2——外接高頻晶振
MSP430可外接穩(wěn)定的高速晶振，但該系列芯片設(shè)計為超低功耗的單片機(jī)，如外接高頻晶振，與該系列低功耗設(shè)計理念相違背。即MCU進(jìn)入低功耗模式(Low-Power Mode，LPM)下晶振并不進(jìn)入低功耗模式，且會一直耗電，因此會增加系統(tǒng)的耗電量，減少續(xù)航時間。
2．3 方案3——根據(jù)時鐘源自動計算波特率
可使用內(nèi)部低頻晶振，通常為32 768 Hz。經(jīng)過DCO調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生較高的可供串口高速通信的頻率FSMCLK。該頻率是由DCO調(diào)節(jié)器模塊在32個DCO時鐘周期內(nèi)混合Fdco和Fdco+1產(chǎn)生的介于Fdco和Fdco+1之間的頻率，該調(diào)節(jié)模式從本質(zhì)上減小了電磁干擾。并且FSMCLK會在MCU進(jìn)入LPM模式后自動關(guān)閉以節(jié)電，直至MCU退出低功耗模式。得到高頻時鐘后，可通過兩個定時器精準(zhǔn)計算出FSMCLK，并根據(jù)該值設(shè)置波特率，此方法可消除器件差異性，以保證單片機(jī)串口在不同溫度和電壓下正常工作。該方案簡單、易實現(xiàn)、抗電磁干擾強(qiáng)、省電效果好，并且從一定程度上消除了系統(tǒng)頻率隨溫度、電壓變化所帶來的影響。該方案優(yōu)于方案1和方案2；其實現(xiàn)流程如圖2所示。

3 系統(tǒng)工作頻率計算
對于定時器A0，其時鐘源頻率為F0，使定時器A0工作在計數(shù)器模式下并設(shè)置每計數(shù)T0次產(chǎn)生一次中斷，即每中斷一次的時間t0為：

對于定時器A1，其時鐘源頻率為F1，使定時器A1工作在計數(shù)器模式下并設(shè)置每計數(shù)T1次產(chǎn)生一次中斷，即每中斷一次的時問t1為：



4 波特率設(shè)置
對于給定串口時鐘源BRCLK，分頻因子N滿足：
N=BRCLK／Baudrate
分頻因子N常常不是整數(shù)，因此，至少需要一個分頻計數(shù)器和一個調(diào)整器來產(chǎn)生一個近似于分頻因子N的數(shù)。
在低頻模式下，整數(shù)部分分頻因子滿足：
UCBRx=INT(N)
且分?jǐn)?shù)部分滿足下列公式：
UCBRSx=round[(N-INT(N))×8]
設(shè)置波特率程序如下：
division_factor=f_smclk／(Baudrate*1．0)；
UCA0BR0=(int)division_factor；
UCA0BR1=((int)division_factor)>>8；
UCA0MCTL"=(int)((division_factor_(int)division_factor)*8)；

5 方案驗證
如方案3所述，先測出串口時鐘源的當(dāng)前頻率，再根據(jù)該頻率設(shè)置波特率寄存器及調(diào)整器的值。將修改后的程序下載到串口能通信和串口不能通信的多個設(shè)備進(jìn)行驗證。通過示波器測試發(fā)現(xiàn)，被測設(shè)備的時鐘頻率存在差異，各設(shè)備之間的頻率不一定相同，同時發(fā)現(xiàn)串口的實際波特率與理論波特率一致，其表現(xiàn)形式為串口能正常通信。至此，方案3通過驗證，該方案可有效避免因串口時鐘源時鐘偏移導(dǎo)致不能通信的問題。

結(jié)語
實踐證明，計算出內(nèi)部時鐘經(jīng)過倍頻后的高頻時鐘，再根據(jù)該時鐘頻率設(shè)置串口波特率的方法可行。該方法從純軟件的角度有效地解決了單片機(jī)內(nèi)部時鐘頻率不穩(wěn)定，單片機(jī)因環(huán)境溫度、氣壓、電磁等導(dǎo)致系統(tǒng)時鐘頻率偏差，以及單片機(jī)器件之間的差異性等因素導(dǎo)致串口通信失敗的問題。