应用笔记 STM32 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 中所列产品 表. 适用产品 微控制器 类型 产品系列 STM32F0 系列 STM32F 系列 STM32F3 系列 STM32F2 系列 STM32F4 系列 STM32F7 系列 STM32L0 系列 STM32L 系列 STM32L4 系列 207 年 月 DocID029725 Rev [English Rev ] /22 www.st.com
目录 AN4908 目录 硬件自动波特率检测.......................................... 5. 特性概述................................................... 5.2 自动波特率检测模式.......................................... 7.3 ABR 误差计算............................................... 8 2 软件自动波特率检测.......................................... 9 3 软件和硬件方法的设置....................................... 0 3. USART 配置示例........................................... 0 3.2 硬件自动波特率检测.......................................... 3.3 软件自动波特率检测......................................... 3 3.4 结果分析.................................................. 6 3.4. 误差计算................................................ 6 3.4.2 软件和硬件方法的比较...................................... 7 4 结论...................................................... 20 5 版本历史.................................................. 2 2/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
图片索引 图片索引 图. 软件自动波特率检测概述................................................... 9 图 2. fck = 72 MHz 时 ABR 的误差计算,5200 bits/s 预期波特率....................... 6 图 3. ABR 误差比较 (fck = HSI 时钟, 使用模式 2 进行硬件检测 )....................... 7 图 4. ABR 误差比较 (fck = 72MHz, 使用模式 2 进行硬件检测 )........................ 8 图 5. 波特率比较 (fck = 72MHz, 预期波特率 = 9 Mbits/s, 使用模式 2 进行硬件检测 )...... 9 DocID029725 Rev [English Rev ] 3/22 3
表格索引 AN4908 表格索引 表. 适用产品................................................................ 表 2. STM32 系列的 USART 硬件自动波特率检测...................................... 5 表 3. STM32 USART 接口上的硬件自动波特率检测................................... 6 表 4. 自动波特率检测模式....................................................... 7 表 5. 软件自动波特率检测详情.................................................. 3 表 6. 文档版本历史........................................................... 2 表 7. 中文文档版本历史........................................................ 2 4/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
硬件自动波特率检测 硬件自动波特率检测. 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 表 2. STM32 系列的 USART 硬件自动波特率检测 产品 支持 ABR 主流 STM32F0 STM32F STM32F3 有 无 有 高性能 STM32F2 STM32F4 STM32F7 无 无 有 超低功耗 STM32L0 STM32L STM32L4 有 无 有 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 DocID029725 Rev [English Rev ] 5/22 2
硬件自动波特率检测 AN4908 表 3. STM32 USART 接口上的硬件自动波特率检测 ()(2)(3) STM32 F0 STM32 F3 STM32 F7 STM32L0 STM32L4 STM32F030x4 STM32F030x6 STM32F030x8 STM32F070x6 STM32F070xB STM32F030xC STM32F03x STM32F05x STM32F04x STM32F04x STM32F07x STM32F09x STM32F37xx STM32F302xB/C STM32F302xD/E STM32F302x6/8 STM32F303xB/C STM32F358xC STM32F303xD/E STM32F398xE STM32F303x6/8 STM32F328x8 STM32F334xx STM32F30x6/8 STM32F38x8 STM32F745xx STM32F746xx STM32F756xx STM32L0x STM32L0x2 STM32L0x3 STM32L4x / STM32L4x2 / STM32L4x3 / STM32L4x5 / STM32L4x6 端口 USART X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X USART 2 0 - - X X 0 - - X X X X - X - - X X X X X X X USART 3 0 0 0 - - 0 0 0 - X X X - X - - X X X 0 0 0 X USART 4 0 0 0 - - 0 0 0 - - - - 0-0 0 0 X X - - - X USART 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - - - 0-0 0 0 X X - - - X USART 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - - 0 0 0 0 0 0 X X 0 0 0 0 USART 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - - 0 0 0 0 0 0 X X 0 0 0 0 USART 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - - 0 0 0 0 0 0 X X 0 0 0 0. X: 支持 2. -: 不支持 3. 0:USART 实例不可用 6/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
硬件自动波特率检测.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 位为开头的任意字符 : 模式 0 以 0xx 模式开头的任何字符 : 模式 0x7F: 模式 2 0x55: 模式 3 表 4. 自动波特率检测模式 ABR 模式 说明 波形 0 接收的字符为以 位为开头的字符 这种情况下,USART 会测量起始位的持续时间 ( 下降沿到上升沿 ) 0 MSv4352 以 0xx 模式开头的任何字符 这种情况下,USART 会测量起始位和第一个数据位的持续时间 从下降沿到下降沿测得的持续时间, 可在信号斜率较小时确保较高的精度 0 MSv43522 2 0x7F 字符帧 在此情况下, 将首先在起始位结束处更新波特率, 然后是在位 6 结束时更新波特率 0 MSv43523 3 0x55 字符帧 在此情况下, 将首先在开始位结束处更新波特率, 然后是位 0 的结束处, 最后是在位 6 的结束处 同时, 对 RX 线路的每个中间转换执行其它检查 0 0 0 0 MSv43524 在激活自动波特率检测之前, 必须通过 USARTx_CR2 寄存器中的 ABRMOD[: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 DocID029725 Rev [English Rev ] 7/22 2
硬件自动波特率检测 AN4908.3 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_CR 寄存器中的 OVER8 位来选择过采样方法, 可以是波特率时钟的 6 倍或 8 倍 USART 时钟源频率必须与预期通信速率兼容 : 6 倍过采样时, 波特率介于 fck/65535 与 fck/6 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 误差 ( %) = 预期波特率 ----------------------------------------------------------------- 实际波特率 00 预期波特率 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 8/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
软件自动波特率检测 2 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 = / 位时间 然后, 根据计算的波特率值进行 USARTx_BRR 寄存器编程 图. 软件自动波特率检测概述 8 MSv43525 DocID029725 Rev [English Rev ] 9/22 2
软件和硬件方法的设置 AN4908 3 软件和硬件方法的设置 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 600 bits/s 至 5200 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) 3. USART 配置示例 在两个示例中,STM32 USART 的配置如下 : /*##-- 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 = 5200 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 6 (Both are tested) */ UartHandle.Instance = USARTx; UartHandle.Init.BaudRate = 5200; UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; UartHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_; UartHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; UartHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; UartHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_6; 注 : USART 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 USART 时钟源来执行 这是为了检查 HSI 不准确性对结果的影响 ) 0/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
软件和硬件方法的设置 3.2 硬件自动波特率检测 USART 被配置为自动检测波特率 用户必须在 USART 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) DocID029725 Rev [English Rev ] /22 2
软件和硬件方法的设置 AN4908 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) 2/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
软件和硬件方法的设置 3.3 软件自动波特率检测 表 5 详细说明了软件方法 表 5. 软件自动波特率检测详情 动作 代码 HAL 库初始化 暂停 Tick 递增, 以防止被 Systick 中断唤醒 将系统时钟配置为 72 MHz 可最后在主程序中执行 SystemCoreClockUpdate 函数来验证 CPU 工作频率 HAL_Init(); HAL_SuspendTick(); System Clock source = PLL (HSE) PLLMUL = RCC_PLL_MUL9 (9) Flash Latency(WS) = 2 配置 UART 外设 配置 USARTx RX 引脚以在每个上升沿生成中断 请参见第 3. 节 :USART 配置示例 static void EXTILine_Config(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /* Enable GPIOE clock */ GPIOE_CLK_ENABLE(); /* Configure PE pin as input floating */ GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING; GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_; HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure); /* Enable and set EXTI Line0 Interrupt to the lowest priority */ HAL_NVIC_SetPriority(EXTI_IRQn, 2, 2); HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI_IRQn); DocID029725 Rev [English Rev ] 3/22 2
软件和硬件方法的设置 AN4908 表 5. 软件自动波特率检测详情 ( 续 ) 动作 代码 在 Rx 引脚上接收到 0x7F, 等待中断结束 启动第 2 节 : 软件自动波特率检测中描述的自动波特率检测序列 自动波特率检测函数 /*Wait until the end of interrupt */ while (end_interrupt_flag!= ) BSP_LED_On(LED2); /* Autobaudrate sequence : Update BRR register */ Autobaudrate(); /* Send acknowledgement */ 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) /* 无限循环 */ while () static void Autobaudrate(void) float tmp=0, elapsed; uint32_t USART_clk=0; uint32_t start_time_val=0; uint32_t BRR=0; tmp += 0xFFFFFF - stop_time_val; tmp -= start_time_val; elapsed =(tmp/(systemcoreclock/000000))/8; USART_clk=SystemCoreClock; if( (USART->CR & 0x8000)== 0x8000) /*In case of oversampling by 8*/ BRR =(elapsed*((2*usart_clk)/000000))+; USART->BRR= BRR; else /*In case of oversampling by 6*/ BRR =(elapsed* ((USART_clk)/000000))+; USART->BRR=BRR; 4/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
软件和硬件方法的设置 表 5. 软件自动波特率检测详情 ( 续 ) 外部线路 中断请求 : 第一个上升沿 :temp=0 启动 systick 定时器第二个上升沿 : 禁用 SysTick 计数器 获取编码时间 SysTick 计数器清零 所需项目定义 动作 代码 void EXTI_IRQHandler() HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_); if(temp==0) HAL_SYSTICK_Config(0xFFFFFF); temp++; else SysTick->CTRL &= SysTick_Counter_Disable; /* Stop the Timer and get the encoding time */ GETMYTIME(&stop_time_val); /* Clear the SysTick Counter */ SysTick->VAL = SysTick_Counter_Clear; /* Clear the temp flag*/ temp=0; /*end of interrupt*/ interrupt_flag=; #define SysTick_Counter_Disable ((uint32_t)0xfffffffe) #define SysTick_Counter_Enable ((uint32_t)0x0000000) #define SysTick_Counter_Clear ((uint32_t)0x00000000) #define GETMYTIME(_t) (*_t=systick->val) DocID029725 Rev [English Rev ] 5/22 2
软件和硬件方法的设置 AN4908 3.4 结果分析 3.4. 误差计算 图 2 显示 ABR 模式 2 和 3 的精确度高于模式 0 和 ; 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 %, 因此所有模式的结果均正常 % 图 2. fck = 72 MHz 时 ABR 的误差计算, 5200 bits/s 预期波特率.2.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 3 MSv43526 6/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
软件和硬件方法的设置 3.4.2 软件和硬件方法的比较 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 3. ABR 误差比较 (fck = HSI 时钟, 使用模式 2 进行硬件检测 ) % 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0. 0 600 200 2400 4800 9600 4400 9200 38400 57600 5200 MSv43527 DocID029725 Rev [English Rev ] 7/22 2
软件和硬件方法的设置 AN4908 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 4. ABR 误差比较 (fck = 72MHz, 使用模式 2 进行硬件检测 ) %.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0. 0 2400 4800 9600 4400 9200 38400 57600 5200 MSv43528 8/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
软件和硬件方法的设置 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 图 5. 波特率比较 (fck = 72MHz, 预期波特率 = 9 Mbits/s, 使用模式 2 进行硬件检测 ) 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 ABR 2 MSv43529 DocID029725 Rev [English Rev ] 9/22 2
结论 AN4908 4 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 20/22 DocID029725 Rev [English Rev ]
版本历史 5 版本历史 表 6. 文档版本历史 日期版本变更 206 年 月 5 日 初始版本 表 7. 中文文档版本历史 日期版本变更 207 年 月 9 日 中文初始版本 DocID029725 Rev [English Rev ] 2/22 2
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