CN105959093A - 一种串行通信波特率实时自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种串行通信波特率实时自适应方法，其包括：S1：在接收到串行信号时，将预设时长值作为波特率的采样周期；S2：按照采样周期对串行信号中空闲信号的比特长度进行测量直至检测到串行信号出现第一个下降沿，获取空闲信号的比特长度；S3：从第一个下降沿开始计时并在检测到第一个上升沿时停止计时，获取计时值；S4：判断比特长度是否大于或等于预设数量个比特，预设数量不少于一帧数据所包含的比特总数；S5：如果比特长度大于或等于预设数量个比特，则将计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2。通过上述方式，本发明能够实时适应波特率的动态变化。

Description

一种串行通信波特率实时自适应方法

技术领域

本发明涉及数据传输技术领域，特别是涉及一种串行通信波特率实时自适应方法。

背景技术

串行通信的设备成本低，使用简单，易于实现，可实现各种串行通信设备(如计算机)的远程通信，因此串行通信在通信应用中非常普遍，并起着非常重要的作用。在串行通信过程中，数据的传送速率称为“波特率”，只有通信双方采用相同的波特率和通信格式时，才能实现数据的正确传输。

然而，由于支持串行接口通信的设备多种多样，波特率和通信格式各不相同，这为串行通信设备的使用带来不便，特别是对于波特率动态变化的情况。如果能够实现串行通信波特率的自适应，无疑会提高串行设备使用的灵活性和通用性，从而使串口通信设备具备“即插即用”能力。目前，波特率自适应的常用方法主要有两种：标准波特率穷举法和码元宽度实时检测法。标准波特率穷举法要求数据终端传输数据所采用的波特率必须在有限的几个固定波特率之间变化，如标准波特率序列，串行设备启动后，逐个尝试以不同的波特率接收数据终端发出的特征字符，直到能正确接收为止。码元宽度实时检测法要求数据终端按照约定发送特征字符，串行设备测量输入数据的码元宽度，而后计算出待测的波特率。该方法比标准波特率穷举法具有更大的灵活性，是目前应用比较广泛的一种自适应方法。

以上两种方法都具有较大的局限性。标准波特率穷举法只能适应有限的几个固定波特率，难以适应波特率的动态变化；码元宽度实时检测法要求串行设备发送的数据为约定的特征字符或要求接收数据和发送数据时所采用的波特率具有一定的比例关系，也难以适应波特率的动态变化。两种方法都需要对多种情况进行判断比较，实时性较差，降低了串行通信设备使用上的灵活性和通用性，因此难以实现异种串行通信设备间的互连互通。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种串行通信波特率实时自适应方法，能够实时适应波特率的动态变化。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种串行通信波特率实时自适应方法，包括：S1：在接收到串行信号时，将预设时长值作为波特率的采样周期，所述预设时长值为上一次接收串行信号时的采样周期值或者任一初始值；S2：按照所述采样周期对所述串行信号中空闲信号的比特长度进行测量直至检测到所述串行信号出现第一个下降沿，获取所述空闲信号的比特长度；S3：从所述第一个下降沿开始计时并在检测到第一个上升沿时停止计时，获取计时值；S4：判断所述空闲信号的比特长度是否大于或等于预设数量个比特，所述预设数量不少于一帧数据所包含的比特总数；S5：如果所述空闲信号的比特长度大于或等于预设数量个比特，则将所述计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2。

优选地，所述串行通信波特率实时自适应方法还包括：S6：如果所述空闲信号的比特长度小于预设数量个比特，则仍将所述预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2。

优选地，所述将所述计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤具体为：将所述计时值作为波特率的采样周期，并在所述采样周期的二分之一时长处采样数据位和停止位；所述将所述预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤具体为：将所述计时值作为波特率的采样周期，并在所述采样周期的二分之一时长处采样数据位和停止位。

优选地，所述将所述计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位或者所述将所述预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤具体包括：将所述计时值或者所述预设时长值作为波特率的采样周期开始采样数据位时检测数据位是否出现下降沿；在每次检测到数据位出现下降沿时，对数据位的低电平的持续时长进行计时，获得持续时长值；判断所述持续时长值是否小于所述采样周期；如果所述持续时长值小于所述采样周期，则将所述持续时长值作为波特率的采样周期采样剩余的数据位和停止位，否则仍将所述计时值或者所述预设时长值作为波特率的采样周期采样剩余的数据位和停止位。

优选地，所述步骤S2具体包括：S21：检测所述串行信号是否出现第一个下降沿；S22：如果没有出现所述第一个下降沿，则按照所述采样周期对所述串行信号中空闲信号的比特长度进行测量，并在测量完一个比特后返回步骤S21；S23：如果出现所述第一个下降沿，则获取所述空闲信号的比特长度。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

1、可以实时检测码元宽度，具备自适应一定范围内任意波特率的能力，解决了现有自适应方法仅支持部分特定波特率的问题，有利于提高串行通信设备的灵活性；

2、不要求接收数据和发送数据时所采用的波特率具有一定的比例关系，可以简化波特率检测过程，降低对发送方串行通信设备的要求，使波特率的检测更准确、更快速、更可靠，应用更方便；

3、波特率的自适应过程不依赖串行通信设备发送的特征字符，仅要求发送方串行通信设备在改变波特率时其数据位的第一比特为1，从而最大限度降低对发送设备的要求，解决了现有自适应方法难以实现异种设备互通的局限性；

4、通过准确检测起始位的计时值(也就是起始位的码元宽度)，实现对接收数据时所使用的波特率进行实时更新，具备对波特率的快速适应能力，提高了***的可靠性、安全性，使得串行通信设备能在复杂环境下工作；

5、在更新接收数据时所使用的波特率时，可以实时更新发送数据时所使用的波特率，实现接收波特率和发送波特率实时同步，真正做到实时检测，实时自适应，实时匹配收发波特率。解决了现有自适应方法实时性差，判决时间长，适应时延大，使用不方便的问题。

附图说明

图1是本发明实施例串行通信波特率实时自适应方法的流程示意图。

图2是根据本发明实施例串行通信波特率实时自适应方法编制的一种程序的处理流程示意图。

图3是采用本发明实施例的串行通信波特率实时自适应方法动态切换波特率时的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例串行通信波特率实时自适应方法的流程示意图。该串行通信波特率实时自适应方法包括以下步骤：

S1：在接收到串行信号时，将预设时长值作为波特率的采样周期，预设时长值为上一次接收串行信号时的采样周期值或者任一初始值。

其中，接收数据的串行通信设备开机初始化或者发送数据的串行通信设备在发送完上一个串行信号后再次发送串行信号后，可以接收到串行信号。如果接收数据的串行通信设备开机初始化，那么预设时长值为串行通信设备所支持的任一初始值，如果是发送数据的串行通信设备再次发送串行信号，那么预设时长值为上一次接收串行信号时的采样周期。

S2：按照采样周期对串行信号中空闲信号的比特长度进行测量直至检测到串行信号出现第一个下降沿，获取空闲信号的比特长度。

其中，按照串行通信的起止式异步通信协议的协议特点，在每两帧数据之间的间隔为空闲信号(即Idle信号)，空闲信号为高电平，而每帧数据依次包括起始位、数据位和停止位，起始位为低电平，因此，在监测空闲信号时出现低电平，说明串行信号正在传输数据。

在按照采样周期对串行信号中空闲信号的比特长度进行测量时，如果没有出现下降沿，则对测量到的比特长度进行累计，具体而言，本实施例的步骤S2具体包括：S21：检测串行信号是否出现第一个下降沿；S22：如果没有出现第一个下降沿，则按照采样周期对串行信号中空闲信号的比特长度进行测量，并在测量完一个比特后返回步骤S21；S23：如果出现第一个下降沿，则获取空闲信号的比特长度。举例来说，当测量到空闲信号的比特长度为1比特后，检测是否出现第一个下降沿，如果没有，则继续对空闲信号的比特长度进行累计测量。当测量到空闲信号的比特长度为1比特后，然后继续检测是否出现第一个下降沿，如此重复，直到检测到出现第一个下降沿时停止累计，再获取空闲信号的比特长度。

S3：从第一个下降沿开始计时并在检测到第一个上升沿时停止计时，获得计时值。

其中，从第一个下降沿开始计时到第一个上升沿停止计时，可以测量起始位的比特长度，该计时值表示比特长度。

S4：判断空闲信号的比特长度是否大于或等于预设数量个比特，预设数量不少于一帧数据所包含的比特总数。

其中，串行通信所采用的数据格式主要由起始位、数据位和停止位构成，例如8N1、8E1、8O1、7N1、7E1等，以8N1为例，包含1个比特起始位、8个比特数据位，1个比特停止位，总计10个比特，因此，预设数量不少于10。

S5：如果空闲信号的比特长度大于或等于预设数量个比特，则将计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2。

其中，如果空闲信号的比特长度大于或等于预设数量个比特，说明发送方串行通信设备发送每一帧数据的间隔时间很大，发送方串行通信设备也以此表明在发送数据时改变了波特率，因此，需要将计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2，以继续对空闲信号的比特长度进行测量。在这里，将计时值作为波特率的采样周期可以是指同步更新接收数据时所采用的波特率和发送数据时所采用的波特率。而返回步骤S2继续对空闲信号的比特长度进行测量时，需要清除之前的测量值，重新测量。

需要注意的是，如果发送方串行通信设备需要改变波特率，那么其所发送的第一帧数据的数据位的第一比特为1，这样计时值才能准确表示起始位的比特长度，如果第一帧数据的数据位的第一比特为0，那么将计时值作为波特率的采样周期会出现错误。

由于，空闲信号的比特长度可能会小于预设数量个比特，因此，本实施例串行通信波特率实时自适应方法还可以包括：S6：如果空闲信号的比特长度小于预设数量个比特，则仍将预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2。

其中，如果空闲信号的比特长度小于预设数量个比特，说明发送方串行通信设备发送每一帧数据的间隔时间很小，发送方串行通信设备也以此表明在发送数据时不改变波特率，因此，需要继续将预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2，以继续对空闲信号的比特长度进行测量。

在本实施例中，在将计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位时或在将预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位时，串行信号可能由于某些原因会产生抖动，造成数据位和停止位的单个比特的比特长度有的略大于一个采样周期，而有的又略小于一个采样周期，因此，将计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤可以具体为：将计时值作为波特率的采样周期，并在采样周期的二分之一时长处采样数据位和停止位；将预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤可以具体为：将计时值作为波特率的采样周期，并在采样周期的二分之一时长处采样数据位和停止位。也就是说，在采样数据位和停止位时，以计时值或预设时长值的二分之一时长，即采样周期的一半，作为临时采样间隔来采样，以保证采样的完整性。

进一步地，考虑到发送方串行通信设备在发送一帧数据的数据位的过程中，也会存在改变波特率的情形，因此，将计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位或者将预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤还可以具体包括：将计时值或者预设时长值作为波特率的采样周期开始采样数据位时检测数据位是否出现下降沿；在每次检测到数据位出现下降沿时，对数据位的低电平的持续时长进行计时，获得持续时长值；判断持续时长值是否小于采样周期；如果持续时长值小于采样周期，则将持续时长值作为波特率的采样周期采样剩余的数据位和停止位，否则仍将计时值或者预设时长值作为波特率的采样周期采样剩余的数据位和停止位。也就是说，只要数据位出现了低电平，且低电平的持续时长值小于采样周期，则将持续时长值作为新的采样周期并马上采用新的采样周期进行采样。

下面，将结合图2和图3对本发明实施例的串行通信波特率实时自适应方法进行具体应用的说明。图2是所示的处理流程示意图仅代表一种程序，本领域技术人员可以根据本发明实施例串行通信波特率实时自适应方法编制出不同的程序。图3所示的原理示意图包含两帧数据，每帧数据之前都有一段空闲信号，在该具体应用中，数据格式为8N1，即1比特起始位，8比特数据位，1比特停止位，比特总数为10，预设数量为10。

该程序的处理流程包括：

S101：将帧标志设置为0。

S102：将预设时长值作为波特率的采样周期。

S103：判断是否检测到第一个下降沿，判断结果为否，则进行步骤S104，判断结果为是，则进行步骤S107。

S104：按照采样周期对空闲信号的比特长度进行测量。

S105：判断比特长度是否大于或等于10个比特，判断结果为是，则进行步骤S106，判断结果为否，则进行步骤S101。

S106：将帧标志设置为1。

S107：从第一个下降沿开始计时并在检测到第一个上升沿时停止计时，获取计时值。

S108：判断帧标志是1还是0，如果是1，则进行步骤S109，如果是0，则进行步骤S110。

S109：将计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位将，并将帧标志设置为0。

S110：将预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位。

S111：检测数据位是否出现下降沿。

S112：在每次检测到数据位出现下降沿时，对数据位的低电平的持续时长进行计时，获得持续时长值。

S113：判断持续时长值是否小于采样周期，判断结果为是，则进行步骤S114，判断结果为否，则进行步骤S115。

S114：将持续时长值作为波特率的采样周期采样剩余的数据位和停止位。

S115：将计时值或者预设时长值作为波特率的采样周期采样剩余的数据位和停止位。

采用该处理流程来对图3所示的串行信号进行处理时，首先，图3中的串行信号发送第一帧数据之前有一段Idle信号，该Idle信号只有2个比特，经过S103、S104、S105后，帧标志仍然为0，帧标志用于表示空闲信号的比特长度是否大于或等于10个比特。在串行信号的第三个比特开始，检测到第一个下降沿，经过S107、S108、S110后，开始采样数据位，此时，计时值为T1，但由于帧标志为0，采样周期仍然为预设时长值(设为Ta)，由于第一帧数据的数据位没有出现下降沿，经过S111后进入S103，以继续接收第二帧数据。

第二帧数据之前的Idle信号大于或等于10个比特，表明第二帧数据的波特率发生了改变，经过S103、S104、S105、S106后，帧标志为1，然后检测到第二帧数据的第一个下降沿，经过S107、S108、S109后，开始采样数据位，并将帧标志再次设置为0，此时，计时值为T2，由于帧标志为1，采样周期由Ta变为T2。第二帧数据因为需要改变波特率，因此，其数据位的第一比特必须为1，如果第二帧数据不改变波特率，那么其数据位的第一比特为1或0均可，发送方串行通信设备和接收方串行通信设备需要事先满足这一要求，这一要求可以加入标准协议中。

由于第二帧数据的数据位出现下降沿，经过S111、S112后，获得持续时长值T3，假如T3小于T2，采样周期由T2变为T3，否则采样周期仍然为T2，经过S114或S115后进入S103，以继续接收下一帧数据。

本发明实施例的串行通信波特率实时自适应方法可以由软件实现，也可以由FPGA或CPLD实现，考虑到由软件实现的话，实时性会受到软件所采用的硬件平台、操作***、程序执行效率等的限制，因此，本发明优选为由FPGA或CPLD实现，因为FPGA或CPLD的逻辑运算是通过硬件完成的，远比软件运行的速度快，带来的通讯延时很小，具有很好的灵活性，可以实现并行处理，能够大大提高运算实时性。

通过上述方式，本发明实施例的串行通信波特率实时自适应方法利用串行通信的起止式异步通信协议的协议特点，在不需要串行设备发送特征字符的情况下，通过检测空闲信号的比特长度和起始位的宽度即可实现对一定范围内任意波特率的自适应，从而能够实时适应波特率的动态变化，所适应的波特率范围仅受限于***时钟频率，设***时钟为Fs，按16倍采样率计算，可以适应的波特率在1bps～(Fs/16)bps之间。如果Fs是100MHz，则可以适应的波特率范围为1bps～6.25Mbps。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种串行通信波特率实时自适应方法，其特征在于，包括：

S1：在接收到串行信号时，将预设时长值作为波特率的采样周期，所述预设时长值为上一次接收串行信号时的采样周期值或者任一初始值；

S2：按照所述采样周期对所述串行信号中空闲信号的比特长度进行测量直至检测到所述串行信号出现第一个下降沿，获取所述空闲信号的比特长度；

S3：从所述第一个下降沿开始计时并在检测到第一个上升沿时停止计时，获取计时值；

S4：判断所述空闲信号的比特长度是否大于或等于预设数量个比特，所述预设数量不少于一帧数据所包含的比特总数；

S5：如果所述空闲信号的比特长度大于或等于预设数量个比特，则将所述计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2。

2.根据权利要求1所述的串行通信波特率实时自适应方法，其特征在于，所述串行通信波特率实时自适应方法还包括：

S6：如果所述空闲信号的比特长度小于预设数量个比特，则仍将所述预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位，并在采样完停止位后返回步骤S2。

3.根据权利要求1或2所述的串行通信波特率实时自适应方法，其特征在于，所述将所述计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤具体为：

将所述计时值作为波特率的采样周期，并在所述采样周期的二分之一时长处采样数据位和停止位；

所述将所述预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤具体为：

将所述计时值作为波特率的采样周期，并在所述采样周期的二分之一时长处采样数据位和停止位。

4.根据权利要求1或2所述的串行通信波特率实时自适应方法，其特征在于，所述将所述计时值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位或者所述将所述预设时长值作为波特率的采样周期采样数据位和停止位的步骤具体包括：

将所述计时值或者所述预设时长值作为波特率的采样周期开始采样数据位时检测数据位是否出现下降沿；

在每次检测到数据位出现下降沿时，对数据位的低电平的持续时长进行计时，获得持续时长值；

判断所述持续时长值是否小于所述采样周期；

如果所述持续时长值小于所述采样周期，则将所述持续时长值作为波特率的采样周期采样剩余的数据位和停止位，否则仍将所述计时值或者所述预设时长值作为波特率的采样周期采样剩余的数据位和停止位。

5.根据权利要求1所述的串行通信波特率实时自适应方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21：检测所述串行信号是否出现第一个下降沿；

S22：如果没有出现所述第一个下降沿，则按照所述采样周期对所述串行信号中空闲信号的比特长度进行测量，并在测量完一个比特后返回步骤S21；

S23：如果出现所述第一个下降沿，则获取所述空闲信号的比特长度。