CN109075742A - 波特率校准电路及串口芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及通信技术领域，提供了一种波特率校准电路及串口芯片。所述校准电路包括：第一计数器，与串口芯片的接收模块连接，第一计数器用于记录接收模块接收到的数据帧的第一个低电平时长；第二计数器，与接收模块连接，第二计数器用于接收比特采样脉冲，并记录第一个低电平时长内的比特采样脉冲的数目；其中，比特采样脉冲由接收模块依据接收模块的当前波特率对数据帧进行采样生成；除法器，与第一计数器以及第二计数器连接，除法器用于根据第一个低电平时长和第一个低电平时长内的比特采样脉冲的数目，计算校准波特率；选择器，与接收模块以及除法器连接，选择器用于将校准波特率输出给接收模块。

Description

波特率校准电路及串口芯片
技术领域
本申请属于通信技术领域，尤其涉及一种波特率校准电路及串口芯片。
背景技术
波特率是对码元符号传输速率的一种度量，1波特即指每秒传输1个码元符号。常见的串口通信系统中，1个码元符号对应一个比特，因而1波特也可以理解为每秒传输1个比特。并且常见的串口通信系统中，发送端和接收端必须事先约定一致的波特率才能实现正常通信，保证发送端发送的数据与接收端接收到的数据相同。
但是，本申请发明人发现现有技术至少存在以下问题：由于通信双端的内部时钟偏差，接收端接收数据的波特率与发送端发送数据的波特率会出现不匹配的情况(如图1、图2所示)，从而会出现接收端数据接收不正常，降低数据传输的可靠性，更有甚者会影响到正常的数据通信。然而，现有的波特率校准方法大多是基于预设字的数据帧进行的，即，发送端与接收端需要预先约定好一预设字的数据帧，在发送端与接收端进行数据传输时，发送端需要先发送预设字的数据帧，以便于接收端根据接收预设字的数据帧时的信息，进行波特率的校准。这种方式无法实现波特率的实时校准，不适用于通信环境变化过快的通信系统，具有很大的局限性。
发明内容
本申请部分实施例所要解决的一个技术问题在于提供一种波特率校准电路及串口芯片，旨在实现波特率的动态实时校准，提升数据接收的可靠性。
本申请的一个实施例提供了一种波特率校准电路，所述校准电路包括：
第一计数器，与串口芯片的接收模块连接，第一计数器用于记录接收模块接收到的数据帧的第一个低电平时长；
第二计数器，与接收模块连接，第二计数器用于接收比特采样脉冲，并记录第一个低电平时长内的比特采样脉冲的数目；其中，比特采样脉冲由接收模块依据接收模块的当前波特率对数据帧进行采样生成；
除法器，与第一计数器以及第二计数器连接，除法器用于根据第一个低电平时长和第一个低电平时长内的比特采样脉冲的数目，计算校准波特率；
选择器，与接收模块以及除法器连接，选择器用于将校准波特率输出给接收模块。
本申请实施例还提供了一种串口芯片，包括：接收模块以及如上述内容所述的波特率校准电路；
接收模块用于接收对端发送的数据帧，根据数据帧发送开始指令以及停止指令，并用于依据接收模块的当前波特率对数据帧进行采样，生成比特采样脉冲；
波特率校准电路，与接收模块连接，波特率校准电路用于根据开始指令、停止指令以及比特采样脉冲计算校准波特率，并将校准波特率输出给接收模块。
本申请实施例相对于现有技术而言，在串口芯片的接收模块接收到数据帧时，利用第一计数器记录数据帧的第一个低电平时长，并利用第二计数器记录第一个低电平时长内接收模块采样所产生的比特采样脉冲的数目，以估算出第一个低电平时长内接收模块实际接收到的比特的数目，从而计算出校准波特率，并将校准波特率输出至接收模块，实现接收模块的波特率更新与替换。这样，无需依赖于预设字的数据帧，就能获取当前数据传输过程的实际波特率，实现了波特率的自动识别与动态实时校准，能够获取高精准度的波特率，有效地提升了接收模块后续数据接收的可靠性。
另外，选择器还与第一计数器连接，选择器具体用于在第一个低电平时长小于预设时长时，将校准波特率输出给接收模块。本实施例中，选择器根据第一个低电平时长与预设时长的比较结果，对接收模块是否数据接收错误进行判断，在第一个低电平时长小于预设时长的情况下，选择器才将校准波特率输出给接收模块，进行接收模块波特率的更新替换，能够保证波特率校准更新的有效性与及时性，提升了接收模块后续数据接收的可靠性。
另外，预设时长由选择器依据接收模块的当前波特率设置。本实施例中，选择器能够设置出较为合适的预设时长，有效地降低了误判的可能。
另外，选择器还与第二计数器连接，选择器具体用于在第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目小于预设个数时，将校准波特率输出给接收模块。本实施例中，选择器根据第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目与预设个数的比较结果，对接收模块是否数据接收错误或者通信双端的内部时钟是否偏差过大进行判断，在第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目小于预设个数的情况下，选择器才将校准波特率输出给接收模块，进行接收模块波特率的更新替换，能够保证波特率校准更新的有效性与及时性，提升了接收模块后续数据接收的可靠性。
另外，预设个数为7。本实施例中提供了预设个数的具体实现形式。
另外，选择器还与串口芯片的发送模块连接，选择器还用于将校准波特率输出给发送模块。本实施例中，波特率校准电路也对发送模块的波特率进行更新，在本端串口芯片与对端串口芯片进行双工通信的情况下，能够令本端串口芯片发送模块的波特率与对端串口芯片接收模块的波特率匹配，保证了数据传输的可靠性。
另外，校准电路还包括：校准输出寄存器，与选择器连接，校准输出寄存器用于在选择器将校准波特率输出给接收模块后，输出预设信号；其中，预设信号用于表征波特率校准是否成功。本实施例提供了输出校准结果的一种实现形式，为技术人员能够通过上位机显示的内容，知晓串口芯片的波特率是否校准成功提供了基础。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是发送端波特率大于接收端波特率的数据接收时序图；
图2是发送端波特率小于接收端波特率的数据接收时序图；
图3是本申请第一实施例中波特率校准电路的结构示意图；
图4是本申请第一实施例中一种数据帧的数据结构的示意图；
图5是本申请第一实施例中波特率校准电路设有校准输出寄存器105，且校准输出寄存器105与上位机30连接的结构示意图；
图6是本申请第二实施例中波特率校准电路的结构示意图；
图7是本申请第三实施例中波特率校准电路的结构示意图；
图8是本申请一实施例中波特率校准电路的第一计数器101、第二计数器102均与选择器104连接的结构示意图；
图9是本申请第四实施例中波特率校准电路的结构示意图；
图10是本申请第五实施例中串口芯片的结构示意图；
图11是本申请第六实施例中串口芯片的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请部分实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请第一实施例涉及一种波特率校准电路，如图3所示。本实施例中的波特率校准电路在串口芯片本端侧，能够对串口芯片接收模块20的波特率进行动态实时校准，提升了接收模块20数据接收的可靠性。以下对本实施例中波特率校准电路的工作原理进行具体说明：
本实施例中，波特率校准电路包括：第一计数器101、第二计数器102、除法器103以及选择器104。其中，第一计数器101、第二计数器102以及选择器104分别与除法器103连接，且波特率校准电路应用于串口芯片时，第一计数器101、第二计数器102以及选择器104还与串口芯片的接收模块20连接。
具体地说，接收模块20接收对端发送的数据帧时，接收模块20向第一计数器101以及第二计数器102发送开始指令，令第一计数器101以及第二计数器102开始计数，同时，接收模块20还按照当前波特率进行比特采样，将采样所生成的比特采样脉冲返回给第二计数器102，以便于第二计数器102对比特采样脉冲的数目进行计数。
更具体地说，接收模块20在检测到数据帧的第一个高电平时，向第一计数器101以及第二计数器102发送停止指令，从而令第一计数器101记录下数据帧的第一个低电平时长，令第二计数器102记录下第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目。这样，波特率校准电路能够获取第一个低电平时长，并估算出第一个低电平时长内接收模块20实际接收到的比特的数目，从而能够通过除法器103计算出校准波特率，以便于选择器104将校准波特率输出给接收模块20，实现接收模块20的波特率更新与校准。
例如，假设数据帧的数据结构如图4所示。其中，起始位为低电平，校验位可能存在也可能不存在，可能为数字信号0也可能为数字信号1，所以图4中校验位中对应画有一“X”，数据段Bit0-Bit7中的X表示数据可能为数字信号0也可能为数字信号1，根据传送的内容而定，结束位为高电平。当数据线为高电平且持续至少10ms(如图4中TR所示)，说明数据线正处于空闲状态。当检测到空闲状态后，如果监测到数据线由高到低跳变，则其后的低电平必为起始位对应的开始电平。也就是说，接收模块20在接收对端发送的数据帧时，可以检测到数据线由高电平的空闲状态跳变到低电平，此时接收模块20向第一计数器101、第二计数器102发送开始指令，而后，接收模块20在第一次检测到数据线由低到高跳变时，向第一计数器101、第二计数器102发送停止指令，从而实现第一计数器101、第二计数器102的计数从数据帧的起始位的下降沿开始，记到第一个上升沿结束(数据帧的起始位的下降沿开始，至第一个上升沿结束的时长即为数据帧的第一个低电平时长)。
需要注意的是，数据传输时间越短，数据接收受通信双端内部时钟偏差的影响越小，因而本实施例中，第一个低电平时长越短，第二计数器102的计数越小，波特率校准电路所估算出的第一个低电平时长内接收模块20实际接收到的比特数目越准确，所计算出的校准波特率越精确，校准成功率越高。因此，本实施例中，在接收模块20接收到的数据帧的数字信号除起始位外，其余位恰好全为1时，能够实现百分之百的校准成功率。
本实施例中，接收模块20的当前波特率既可以由技术人员预设，也可以为接收模块20接收上一个数据帧时所用的波特率。如，接收模块20的当前波特率为1Bd，那在接收模块20接收对端发送的数据帧时，接收模块20以自身内部时钟的1秒作为采样周期，对数据帧进行采样，产生比特采样脉冲。其中，接收模块20采样所获取的比特采样脉冲可以与每个比特中间位置的脉冲信号对应。
本实施例中，除法器103在根据第一个低电平时长和比特采样脉冲的数目计算校准波特率时，除法器103将第一计数器101输出的数据与第二计数器102输出的数据进行除法运算，就是第一个低电平时长除以比特采样脉冲数目，并对运算结果取整，从而获取分频系数，根据分频系数获取校准波特率。这样，能够适用于任何使用整数分频器的串口芯片，应用范围较广。如，第一计数器101记录的第一个低电平时长为3.3秒，第二计数器102记录的比特采样脉冲的数目为3，则分频系数为[3.3/3]，即1，则校准波特率为1Bd。
需要注意的是，选择器104将校准波特率输出给接收模块20后，接收模块20便可以利用校准波特率进行后续数据帧的接收。并且，在接收模块20接收对端发送的下一个数据帧时，接收模块20还可以依据校准波特率对数据帧进行比特采样。即，第一计数器101依然可以获取接收模块20当前接收的数据帧的第一个低电平时长，第二计数器102依然可以记录第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目，从而令除法器103计算出新的校准波特率。这样，选择器104将新计算出的校准波特率再次输出给接收模块20时，就又一次对接收模块20的波特率进行了更新，如此，即可实现波特率的动态实时校准。
然而，上述对数据帧的数据格式、当前波特率以及校准波特率的举例仅作为示例性的说明，本实施例并不做任何限定。
值得一提的是，本实施例中的串口芯片可以设有一与接收模块20连接的滤波器，滤波器用以对接收模块20接收到的数据帧进行滤波，令接收模块20的操作均是基于滤波后的数据帧进行的，从而不仅能够令接收模块20发送开启指令、停止指令的时机不受噪声的干扰，而且能够令接收模块20的采样标本为滤波后的数据帧，为获取更加精准的校准波特率提供了基础。
并且，本实施例中波特率校准电路还可以包括校准输出寄存器105(如图4所示)。校准输出寄存器105与选择器104连接，校准输出寄存器105用于在选择器104将校准波特率输出给接收模块20后，输出预设信号，该预设信号用于表征串口芯片的波特率是否校准成功。如，预设信号为高电平信号，则表征串口芯片的波特率校准成功。
具体地说，校准输出寄存器105与上位机30连接，上位机30定期检测校准输出寄存器105的输出信号，并展示所检测到的输出信号，以便于技术人员根据上位机30所展示的校准输出寄存器105的输出信号，确定串口芯片的波特率是否校准成功，从而令技术人员能够了解到更多的有效信息。
本实施例相对于现有技术而言，波特率校准电路结构简单，不需要耗费过多资源，成本较低，无需依赖于预设字的数据帧就能获取当前数据传输过程的实际波特率，实现了波特率的自动识别与动态实时校准，效率较高，能够提升接收模块20后续数据接收的可靠性，为串口芯片能够适用于通信环境变化过快的通信系统提供了基础，解决了串口芯片在极端环境下所产生的误码率上升问题。并且，在无需使用时，可以直接绕过波特率校准电路，如，令第一计数器101与第二计数器102的使能引脚为低电平。
本申请第二实施例涉及波特率校准电路，如图6所示，本实施例是在第一实施例基础上改进，主要改进之处在于：本实施例中的第二计数器102还与选择器104连接，令选择器104在第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目小于预设个数时，才将校准波特率输出给接收模块20，进行接收模块20波特率的更新替换，能够保证波特率校准更新的有效性与及时性。以下进行具体说明：
具体地说，若第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目大于预设个数，则说明接收模块20持续接收到多个数字信号0，此时很可能数据接收错误；或者，说明通信双端的内部时钟偏差较大。在上述情况下，第二计数器102所记录的第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目，与对端实际发送的比特数目相差较大，因而基于第二计数器102的数据所计算出的校准波特率误差较大，选择器104应当舍弃当前计算出的校准波特率，不以当前计算出的校准波特率进行接收模块20的波特率更新。因而，本实施例中，选择器104在第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目小于预设个数时，才将校准波特率输出给接收模块20，能够保证在接收模块20接收数据错误可能性较低、通信双端的内部时钟偏差较小的情况下，才进行波特率的更新替换，波特率校准更新的有效性与及时性较高。
更具体地说，预设个数可以由技术人员预设在选择器104中，如，预设个数可以为7。需要注意的是，预设个数可以由技术人员根据数据帧的数据格式进行设置，本实施例中并不对预设个数的具体形式做任何限定。
需要注意的是，本实施例中，虽然选择器104在第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目大于预设个数的情况下，舍弃当前计算出的校准波特率，不以当前计算出的校准波特率进行接收模块20的波特率校准。但是，选择器104舍弃当前计算出的校准波特率后，可以进行等待，以便于接收模块20接收下一数据帧时，除法器103能够重新计算校准波特率，令选择器104将除法器103重新计算的校准波特率输出给接收模块20，依然能够实现接收模块20波特率的更新与校准。
本实施例相对第一实施例而言，能够保证波特率校准更新的有效性与及时性，进一步地提升了接收模块后续数据接收的可靠性。
本申请第三实施例涉及一种波特率校准电路，如图7所示，本实施例是在第一实施例基础上的改进，主要改进之处在于：本实施例中的第一计数器101还与选择器104连接，令选择器104在第一个低电平时长小于预设时长时，才将校准波特率输出给接收模块20，进行接收模块20波特率的更新替换，能够保证波特率校准更新的有效性与及时性。以下进行具体说明：
具体地说，若第一个低电平时长大于或等于预设时长，则说明接收模块20持续接收到多个数字信号0，此时很可能数据接收错误，选择器104应当舍弃当前计算出的校准波特率，不以当前计算出的校准波特率进行接收模块20的波特率更新。因而，本实施例中，选择器104在第一个低电平时长小于预设时长时，才将校准波特率输出给接收模块20。这样，在接收模块20接收数据错误可能性较低的情况下，才进行波特率的更新替换，能够保证波特率校准更新的有效性与及时性。
更具体地说，预设时长可以由技术人员预设在选择器104中，也可以由选择器104基于接收模块20的当前波特率自行生成。如，接收模块20的当前波特率为1Bd时，选择器104可以设置预设时长为传输7个比特所需要的时间，即7秒。
需要注意的是，虽然选择器104在第一个低电平时长大于或等于预设时长的情况下，舍弃当前计算出的校准波特率，不以当前计算出的校准波特率进行接收模块20的波特率校准。但是，选择器104舍弃当前计算出的校准波特率后，可以进行等待，以便于接收模块20接收下一数据帧时，除法器103能够重新计算校准波特率，令选择器104将除法器103重新计算的校准波特率输出给接收模块20，依然能够实现接收模块20波特率的更新与校准。
本实施例相对第一实施例而言，能够保证波特率校准更新的有效性，进一步地保证了接收模块后续数据接收的可靠性。
需要注意的是，在一个实施例中，第一计数器101以及第二计数器102可以均与选择器104连接，如图8所示。并且，令选择器104在第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目小于预设个数，以及第一个低电平时长小于预设时长时，才将校准波特率输出给接收模块20，进行接收模块20波特率的更新替换。这样，利用第一个低电平时长、第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目进行双重判断，能够进一步地保证波特率校准更新的有效性与及时性。
本申请第四实施例涉及波特率校准电路，如图9所示，本实施例在上述任一实施例的基础上加以改进，主要改进之处在于：在本实施例中，选择器104还对串口芯片的发送模块30的当前波特率进行校准，为串口芯片后续发送数据被可靠接收提供了基础。
具体地说，选择器104还与发送模块30连接，选择器104还用于将校准波特率输出给发送模块30。
更具体地说，双工通信是指通信双端可以同时发送和接收数据的信息交互方式。在双工通信的情况下，若选择器104将校准波特率输出给发送模块30，实现发送模块30的波特率更新，则能够令本端发送模块30的波特率与对端接收模块的波特率匹配，保证了通信双端数据传输的可靠性。然而，上述双工通信的举例仅作为示例性说明，本实施例并不对发送模块30波特率更新的具体应用场景做任何限定。
本申请第五实施例涉及一种串口芯片，如图10所示，详述如下：
具体地说，在串口芯片本端包括有波特率校准电路10与接收模块20，波特率校准电路10与接收模块20连接。接收模块20用于接收对端发送的数据帧，根据数据帧发送开始指令以及停止指令，并用于依据接收模块20的当前波特率对数据帧进行采样，生成比特采样脉冲。波特率校准电路10用于根据开始指令、停止指令以及比特采样脉冲计算校准波特率，并将校准波特率输出给接收模块20。这样，实现了接收模块20波特率的自动识别与动态实时校准，效率较高，能够提升接收模块20后续数据接收的可靠性，为串口芯片能够适用于通信环境变化过快的通信系统提供了基础，解决了串口芯片在极端环境下所产生的误码率上升问题。并且，在无需使用时，可以直接绕过波特率校准电路10，操作较为便捷。
更具体地说，串口芯片本端还包括有发送模块30，波特率校准电路10还可以与串口芯片的发送模块30连接。这样，波特率校准电路10还可以在计算出校准波特率后，将校准波特率输出给发送模块30，从而令发送模块30能够基于校准后的当前波特率进行数据的发送，为串口芯片后续发送数据被可靠接收提供了基础。
本申请第六实施例涉及一种串口芯片，如图11所示。第六实施例在第五实施例的基础上加以改进，主要改进之处在于：在本实施例中，串口芯片还包括滤波器40，能够避免噪声带来的干扰，提高当前波特率的校准准确度。以下进行具体说明：
本实施例中，滤波器40与接收模块20连接。滤波器40用于对接收模块20接收到的数据帧进行滤波。
具体地说，在接收模块20接收对端串口芯片发送过来的数据时，接收模块20将所接收到的数据传输给滤波器40进行滤波，以便于滤波器40将滤波后的数据返回给接收模块20。这样，能够令接收模块20的后续操作均是基于滤波后的数据帧进行的，从而不仅能够令接收模块20向波特率校准电路10发送开启指令、停止指令的时机不受噪声的干扰，而且能够令接收模块20的采样标本为滤波后的数据帧，为获取更加精准的校准波特率提供了基础。
本实施例相对于第五实施例而言，当前波特率的校准准确度更高，接收模块20后续数据接收的可靠性也更高。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种波特率校准电路，其特征在于，包括：
第一计数器，与串口芯片的接收模块连接，所述第一计数器用于记录所述接收模块接收到的数据帧的第一个低电平时长；
第二计数器，与所述接收模块连接，所述第二计数器用于接收比特采样脉冲，并记录所述第一个低电平时长内的比特采样脉冲的数目；其中，所述比特采样脉冲由所述接收模块依据所述接收模块的当前波特率对所述数据帧进行采样生成；
除法器，与所述第一计数器以及所述第二计数器连接，所述除法器用于根据所述第一个低电平时长和所述第一个低电平时长内的比特采样脉冲的数目，计算校准波特率；
选择器，与所述接收模块以及所述除法器连接，所述选择器用于将所述校准波特率输出给所述接收模块。
2.如权利要求1所述波特率校准电路，其中，所述选择器还与所述第一计数器连接，所述选择器具体用于在所述第一个低电平时长小于预设时长时，将所述校准波特率输出给所述接收模块。
3.如权利要求2所述波特率校准电路，其中，所述预设时长由所述选择器依据所述接收模块的当前波特率设置。
4.如权利要求1所述波特率校准电路，其中，所述选择器还与所述第二计数器连接，所述选择器具体用于在所述第一个低电平时长内比特采样脉冲的数目小于预设个数时，将所述校准波特率输出给所述接收模块。
5.如权利要求4所述波特率校准电路，其中，所述预设个数为7。
6.如权利要求1所述波特率校准电路，其中，所述选择器还与所述串口芯片的发送模块连接，所述选择器还用于将所述校准波特率输出给所述发送模块。
7.如权利要求1所述波特率校准电路，其中，所述校准电路还包括：
校准输出寄存器，与所述选择器连接，所述校准输出寄存器用于在所述选择器将所述校准波特率输出给所述接收模块后，输出预设信号；其中，所述预设信号用于表征波特率校准是否成功。
8.一种串口芯片，其特征在于，包括：接收模块以及如权利要求1至7中任一项所述的波特率校准电路；
所述接收模块用于接收对端发送的数据帧，根据所述数据帧发送开始指令以及停止指令，并用于依据所述接收模块的当前波特率对所述数据帧进行采样，生成比特采样脉冲；
所述波特率校准电路，与所述接收模块连接，所述波特率校准电路用于根据所述开始指令、停止指令以及所述比特采样脉冲计算校准波特率，并将所述校准波特率输出给所述接收模块。
9.如权利要求8所述串口芯片，其中，所述串口芯片还包括：
发送模块，与所述波特率校准电路连接；
所述波特率校准电路还用于将所述校准波特率输出给所述发送模块。
10.如权利要求8所述串口芯片，其中，所述串口芯片还包括：
滤波器，与所述接收模块连接，所述滤波器用于对所述接收模块接收到的数据帧进行滤波；
所述接收模块具体用于依据所述接收模块的当前波特率对滤波后的所述数据帧进行采样。
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