CN114363125A

CN114363125A - 数字异步通信***中采样脉冲的生成方法

Info

Publication number: CN114363125A
Application number: CN202111485076.4A
Authority: CN
Inventors: 周健恺; 李捷
Original assignee: Shanghai Huahong Integrated Circuit Co Ltd; Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Integrated Circuit Co Ltd; Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明公开了一种“数字异步通信***中采样脉冲的生成方法”，该技术主要用于数据通信过程中对收发数据的采样。针对一定速率范围内的异步通信，该项技术能够灵活地对收发数据产生所需的采样脉冲。同时该项技术利用误差积分器实现了小数分频，以保证在每个采样周期时间不能完全平均分配的情况下，通过误差积分器数值的调节，使得每个采样周期的误差控制在一个时钟周期以内，最终保证了每一帧数据的采样误差均控制在极低的范围内。该技术在数字通信领域有较为实际的应用价值。

Description

数字异步通信***中采样脉冲的生成方法

技术领域

本发明涉及数字通信领域的采样技术，尤其适用于通用异步收发器中收发数据时采样脉冲的生成。

背景技术

在异步通信过程中，通常会对收发数据的中点进行采样以获取该比特数据的逻辑值。如果通信时处于噪声较大的环境中，单次采样得到的信号有可能被噪声干扰而造成错误的结果，此时则需要增加过采样以进行“投票”判断，最大程度地排除噪声干扰，在通信速率与抗噪声之间获得最优平衡。单次采样时，需要找到数据位的中点；而多次采样时，以8倍和16倍为例，则需要精确的找到数据位的8等分点和16等分点。无论是单次采样还是多次采样，首先需要的是对数据位等分点实现定位并产生采样时钟脉冲。如果在时钟一定的情况下，直接用时钟去分频生成采样脉冲，又会面临新的问题。假如采样等分点之间的时间间隔相对于当前的时钟周期不是一个整数倍关系，即等分点位于两个时钟脉冲之间。此时可选的办法之一是引入倍频电路，获得较为高频的时钟来逼近该采样点以解决该问题，但是这必然使电路变得很复杂且极大的增加了功耗。本专利就是针对该问题引入误差积分器实现了小数分频，在时钟固定的情形下，若等分点之间的时间间隔相对于当前的时钟周期不是一个整数倍关系时，通过引入误差补偿而支持更宽的传输波特率范围，且最终不会造成误差的无限累积。

发明内容

a)在进行异步通信的过程中，针对不同的通信速率或波特率，1bit数据的时间长度会随波特率的变化而变化。同时还要根据采样次数对1bit数据的时长进行平均分配，以便在均匀的时间间隔内产生采样脉冲。本发明专利通过引入误差积分器实现小数分频，通过误差补偿的方式以极小的误差代价实现了采样脉冲的生成，通过仿真和fpga实测均具有理想的效果。

b)该项发明的原理框图如图1所示。包含一个波特率计数器，一个误差积分器，一个多路选择器MUX和一个脉冲生成器。波特率计数器与多路选择器MUX相连；多路选择器MUX与脉冲生成器相连；误差积分器与采样脉冲和brr波特率寄存器值相连，其输出与多路选择器MUX相连，控制下一周期计数的时钟周期。UART CLK为异步通信的内部时钟，用于生成采样脉冲；BRR为波特率信息，用于调整波特率的数值。在每次通信时，波特率计数器会根据当前的波特率和采样次数来计算单比特数据的等分采样点；由于等分点的间距可能不是一个整数值，故无法在该点实现采样脉冲的生成，所以波特率计数器会寻找距离等分点最近的一个时钟脉冲来作为该点的采样脉冲，并同时由误差积分器来累积该误差；当经过多次采样后，误差的累积大于一个UART CLK时，MUX则会选择经过补偿一个UART CLK的计算结果来用于采样脉冲的生成。最终每一个采样脉冲距离采样等分点的时间间距均会小于一个UARTCLK。随着数据的传输，采样会伴随着误差补偿，因而误差不会被无限累积，最终每一帧数据的收发平均误差可以做到很小。当UART CLK为32.768K Hz，设定波特率为9600，且每比特单次采样时，利用该技术发送单帧数据的理论误差值仅为0.1949％。

附图说明

图1：发明专利原理框图

图2：设定16倍采样时的采样脉冲仿真图

图3：误差积分器无需补偿时的采样脉冲仿真结果

图4：误差积分器需要补偿时的采样脉冲仿真结果

具体实施方式

图1为本发明的原理图，包含波特率计数器，误差积分器，MUX和脉冲生成器。其中brr波特率寄存器的值作为波特率计数器和误差积分器的输入，控制每个采样周期的时钟周期计数值和误差积分器累加值。多路选择器MUX由误差积分器的输出控制，根据是否溢出选择计数器是否需要多计一个时钟周期。MUX的输出将控制采样脉冲的生成，采样脉冲生成后将反馈给误差积分器将其溢出值清除。

采样脉冲信号在USART等通信协议中有广泛应用，以USART中的异步通信部分uart为例，定义通信波特率为通信时钟频率与brr的比值，即时钟频率固定时，通过修改brr的数值便可以调整通信波特率。波特率整除时，仅通过计数器，累加到“brr/采样倍数”时产生采样脉冲。假定当前为16倍采样，即每比特数据生成16个等间距的采样脉冲，此时brr可以视为每个数据比特内包含的时钟周期数。当brr的值正好为16的整数倍时，波特率计数器会在每brr/16个时钟脉冲处产生一个采样脉冲，不断循环。当brr的值非16的整数倍时，每个采样脉冲间隔所包含的时钟周期数则不是一个整数，起初波特率计数器会在brr/16(向下取整)个时钟脉冲处产生一个采样脉冲，并同时启用误差积分器，将不能被16整除的小数部分进行误差累积。当积分器当前的累积值发生溢出时，说明采样脉冲距离等分点的距离超出了一个时钟周期，作为补偿，波特率计数器会多计数一个周期并通过MUX选择输出，最终保证了每一个实际的采样脉冲距离理想的采样等分点均小于一个时钟周期。以下通过编写RTL代码，得到了具体实施后的仿真波形图。首先将brr寄存器配置为十进制的521，显然该值不是16的整数倍。通过计算可知，此时采样的等分点位于时钟周期个数的32.5625的整数倍处。因此需要借助误差积分器进行小数分频产生采样脉冲信号。同时由于512为16的整数倍，因此多余的521-512＝9个时钟周期需要分配在16个采样周期中，即有9个采样周期为补偿周期，包含33个时钟周期，剩余7个采样周期为无补偿周期，包含32给时钟周期。图2中“ubdiv_frac_acc_rx”即为误差积分值，在每个采样周期对误差积分值增加9，当误差累积值大于等于16时，误差积分器的溢出信号“ubdiv_frac_acc_overflow_rx”就会给出标记，此时会发生一次误差补偿，补偿处的采样脉冲会被多补偿一个时钟周期，即该采样周期为33个时钟周期。进一步选取第2和第3个采样周期将其波形放大，如图3和图4所示。在图3中积分器值为a，因此计数器从0计数到1f，在第32个时钟周期处生成采样脉冲baud_x16_pl；图4中，积分器值为1，因此计数器从0计数到20，在第33个时钟周期处生成采样脉冲baud_x16_pl。以上结果该发明预期一致。该发明不仅适用于异步数据传输的中点采样，同样的原理，在数据位的4等分点，8等分点，16等分点甚至是1/(2^n)等分点采样中同样适用。

Claims

1.数字异步通信***中采样脉冲的生成方法，其特征在于，包括误差积分器，在一定的波特率变化范围内实现小数分频，最终产生采样脉冲信号，所述生成方法包括：

1)采样周期和时钟周期之间是整数倍关系时，仅通过计数器，计数累加到“波特率寄存器值/采样倍数”时产生采样脉冲，以此循环。

2)采样周期和时钟周期之间非整数倍关系时，引入误差积分器，计数器到达“波特率寄存器值/采样倍数并向下取整后”产生采样脉冲；同时将误差累计在误差积分器，当误差积分器的误差累计值出现溢出时，需多计一个周期才产生采样脉冲。

2.数字异步通信***中采样脉冲的电路，用于实现权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电路包含一个波特率计数器，一个多路选择器MUX和一个脉冲生成器，还包括一个误差积分器，所述误差积分器的输出与多路选择器MUX相连，控制下一周期计数的时钟周期。