串行通信在波特率誤差超過一定范圍時，會產生錯誤。本節介紹的內容在51單片機上僅用軟件就實現了波特率自動整定，最大程度地減小了波特率誤差，因而可使串行通信的可靠性得到提高。

51單片機具有一個全雙工的串行接口，提供了多機通信功能，可方便地構成多機系統（多機容錯系統、集散型多級系統），為完成大型的控制任務提供了有效的手段。用51單片機組成的多機控制系統，國內已出現多例。在這樣的系統中，可靠地實現多處理器間的信息交換（串行通信）是十分重要的。本節的研究發現，波特率作為串行通信的速率，同時對通信的可靠性有重要影響。

一、正常串行通信的實現條件

串行通信是按位傳送數據的。每個數據有8或9個數據位，加上起始位和停止位構成一個串行幀。每一位占用時間T，1／T稱為串行通信的波特率。理想情況下，發送機和接收機設置的波特率一致。接收機的接收控制器在串行幀每一數據位的中點進行采樣，能接收到正確的數據，但要求波特率完全一致是不可能的。這就提出了一個問題：要可靠地實現串行通信，允許收發雙方的波特率有多大誤差？我們以一個10位的串行幀為例進行分析。

圖1 - 85 （b）是正常工作的情形，波特率一致。在圖1 - 85（a）中，接收波特率不變，而發送波特率變小，每位的時間T延長5%，在第10位采樣時，就產生了錯位，不能進行正常通信。對于10位的串行幀，允許的最大波特率誤差不超過5%；在多機通信方式下，串行幀是11位的，允許的最大波特率誤差不超過4. 5%。

上面得到的僅僅是理想情況下的波特率誤差允許上限。實際應用中，由于硬件設備的頻帶有限，數據位的上下跳沿要占用一定時間，每個數據位的有效時間比理想情況要短，所以對波特率誤差會有更嚴格的要求。

二、波特率誤差來源及克服辦法

1.51單片機串行通信波特率的產生

51單片機的串行口有4種操作模式，由串行口控制字SCON中的兩位SMO和SM1設置。模式0作同步移位寄存器，與通信無關；模式2的波特率直接由機器主頻fosc決定，不方便應用；常用的是模式1和模式3．分別是8位和9位異步通信口。其波特率是可變的，由機內的定時／計數器1（C／T1）來產生，波特率有以下公式：

其中SMOD是電源控制字PCON中的一位，可編程為0或1。

C／T1有3種工作模式：模式0為13位定時／計數器，模式1為16位定時／計數器，而模式2是可自動重裝時間常數的8位定時／計數器。當需要的波特率不是太低時，一般用模式2作波特率發生器：一方面省去了用C/Ti中斷服務重裝時間常數的工作，更主要的是避免了因中斷響應時間不同引起的波特率隨機誤差。對C/T，的模式2，波特率按如下公式計算：

式中：fosc為晶振頻率；TH1為時間常數。

若采用6 MHz的晶振，用模式2可產生的最低波特率為61。對于實時控制系統，絕不會采用更低的信息傳遞速率（每秒6個數據）。所以，以下討論只限于C／Ti的模式2作波特率發生器的情況。

2．波特率誤差的來源

由式（1 -4）可知，fbit與fosc及TH1有關。首先考慮fosc對．fbit的影響。51的振蕩器電路是　　由晶體及電容C1、C2構成的。XTAL1及XTAL2為外接晶體管引腳。fosc主要由晶體的固有頻率決定，同時也與電容C1、C2及外界溫度有一定關系。另外，晶體頻率的標稱值與實際值也不可能完全一致。我們曾測定過一組標稱4 MHz的晶體，發現離散度達2%。由式（1-4）得：

這說明用有誤差的fosc去計算fbit時，fbit，會產生同樣大小的相對誤差。

下面考慮TH，的影響。時間常數只有8位字長，這樣就必然存在量化誤差。采用四舍五入后，THi的量化誤差|△TH1| mAX=0.5。綜合式（1-4）、（1-5）得：

由式（1 -6）可以看出，由量化誤差產生的波特率誤差與波特率成正比，與fosc成反比；并且若置SMOD-l，則可使誤差減小一半。

3．減小波特率誤差的措施

人工設置波特率，不可避免要用到fosc的標稱值，這樣就引入了一個誤差源。采用自動整定，可以消除由fosc標稱值不準確引入的誤差。

波特率自動整定可按如下的方法進行：在一個多機系統中，由系統主機產生出一個預定波特率的方波信號，從串行口發送到各從機；各從機以各自的時鐘為基準測定此方波的周期所包含的機器周期數N，從N可以方便地換算出產生同樣波特率需要的時間常數TH1。計算公式推導如下：

51單片機一個機器周期的時間為δT=12/fosc，一個方波周期包含兩個串行數據位，這樣，每位數據占用的時間為

而fbit=1／T，代入式（1-4）得

TH1的量化誤差總是存在的，為減小其影響，應盡量選SMOD=1;在用式（1-7）進行計算時，要進行舍入，而不是截尾。

采用自動整定時，波特率誤差僅由TH，的量化誤差引起：

采用12 MHz晶體，fbit=4 800時可能的最大波特率誤差為3.84% （SMOD=1）．可以保證正常通信。一般系統1 200的波特率就足以滿足要求了。

三、波特率自動整定的實現和結論

1．自動整定的實現

51單片機的P3口是復用的，其中的P3.0（串行口接收線）和P3.1（發送線）可以用作一般輸入／輸出口線，也可作為串行口使用。利用這個特點，可以在不對串行口接線作任何變動的情況下，僅利用軟件實現波特率的自動整定。

首先要完成的是方波周期的測量。為保證測量精度，共測8個方波周期的機器周期數，然后除以8（移位即可）得N。采用C／T1的模式1（16位定時器）計時，程序流程圖如圖1- 86所示。

最后得到的16 位計數值存放在TH1、TL1中，其值為8N。取SMOD=1，式（1-7）成為

至此，時間常數TH1計算完畢，接下來可進行常規的串行口初始化。若有必要，還可進行波特率誤差校驗。編程是很容易的，這里省略。

2．結 論

①串行通信中的波特率誤差超過一定范圍會影響通信的可靠性，在高波特率下更加嚴重。

②本例給出的波特率自動整定方法對硬件不作任何變動，僅用軟件即可方便實現。在12 MHz晶振下實現了4 800 b/s的高速通信，避免了人工試湊波特率的困難。

③當串行口作為通用儀表對系統機的數據接口時，此方法尤有意義。本節的成果已用于一個通用轉速表對IBM - PC的串行接口中。