基于未知上位机串行通信波特率检测

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随着计算机应用的日益普及，与计算机进行信息交互的终端也越来越多，其中串行通信是终端与计算机之间的主要通信方式。通常情况下，接收方必须知道发送方的发送速率，帧结构，并采用相同的速率及帧结构进行接收，才能保证接收到正确的信息。帧结构信息包括起始位、停止位、数据位的个数，及是否有校验位，若有，是以何种形式校验，这样才能在接收到正确信息的基础上进行校验，并把起始位、停止位、校验位剔除掉，将有用信息识别出来。在不知道发送速率的情况下，下位机无法采用传统的方法进行通信信号的正确接收和数据提取。很多情况下，终端设备通信时都没有使用校验位。本文提供了一种没有校验位的情况下波特率的检测算法。此方法适用于黑匣子终端波特率的检测，尤其间断串口通讯的情况(如果是连续发送，只对最后一个字节使用两个波特率接收)。

1 串口通信

串口通信是以帧为单位。帧由4部分组成：起始位，停止位，数据位及校验位。其校验位可有可无，通常终端设置为无。如回车符的发送，回车符的ASC II值为0x0D。串行通信时附加一个起始位和终止位，位的传输顺序一般是先传低位再传高位。此时回车符的二进制表示方式如图1所示。

利用单片机的串口或串口调试工具接收数据时，如果帧格式不正确，通常只会将此帧数据丢弃，不报告出错，并且不允许单片机做其他的工作，同样，不能同时用不同的波特率接收数据。若在电平跳变时采样，则采样其前一时刻的电平，当停止位是0时，等待一个其1／2波特率是电平应持续的时间后再判断起始位。本方案基于此方法利用软件实现普通管脚的串口使用。

串行通信是终端和主机之间的主要通信方式，通信波特率一般选择110 b／s，300×2n(n=0，…，7)b／s，利用串口协议及接收数据的特点，采用高速接收的方法进行波特率的自动识别与检测。

2 基于波特率串口通讯分析

串行通信中一个二进制位的传输时间T取决于通信的波特率，如9 600 b／s时一个二进制位的传输时间是19 200 b／s时一个二进制位传输时间的两倍，即2×T19200=T9600。在串行通信中，若主机设定接收波特率为9 600 b／s，终端只能以9 600 b／s发送数据，只有这样才能保证主机正确地接收数据。表1中列举不同发送、接收波特率情况下接收的数据。

以n b／s发送序列m：Ox1x2x3x4x5x6x7x81，则2n b／s接收到的序列mm：00 x1x1x2x2x3x3x4x4x5x5x6x6x7x7x8x811。若n b／s接到的数是oxf0～oxf8的字节， 即序列m是0x1x2x3x411111， 则mm是00x1x1x2x2x3x3x4x1111111111。

以n/2 b/s发送序列m:0x1x2x3x4x5x6x7x81,n b/s接到的序列mm:00 x1x1x2x2x3x3x4x4x5x5x6x6x7x7x8x811,2π b/s接到韵第一个字符序列：x2x1x1x1x1000，欲使帧结构正确，x2须是1。同样欲使x4x4 x3x3x2x2 x1x1 0不小于oxf0且帧结构正确，x4，x3，x2必须是1时收到的数才不大于oxf8。假设x5，x6，x7，x8有一个是0，则还能接收数据，例如x6是0，则还能收到一个字节，此字节是11x8x8x7x7x6x60，在保证接收到的数据不小于oxf0的情况下，必须使x8x7是1，此数据大于oxf8。若x5是1，x6是0，收到的第二个字节是1111x8x8 x7x70，若使其不小于oxf0，则x8须是1，测试仍大于oxf8。若x5，x6是1，x7是0，此时收到的字符是11111x8x80，不大于oxf8。若x5，x6，x7是1，x8是0，收到的字符是11111110，是oxfe。

以同样的分析方法，可以得出n／3 b／s，n／4 b／s，3n b／s发送序列情况下，所接收的序列及数据。

3 算法设计

由上面分析可设计出检测算法：首先，从高的波特率逐个尝试，判断波特率是不是发送的波特率，若不是尝试其二分之一的波特率，重复上面的过程。其次57 600 b／s与38 400 b／s不是相差一倍，需要单独测试。最后，115 200 b／s与57 600 b／s单独测试，若均被排除，从38 400 b／s开始新一轮的测试。若57 600 b／s不能被排除，多次则比较是57 600 b／s与38 400 b／s，以确定其中一个。若能排除57 600 b／s，从38 400 b／s开始测试。若均被排除，从19 200 b／s开始测试。检测算法示意图如图2所示。

若接收波特率是发送波特率的16倍或16倍以上，因起始位是0，将会接到10个以上的连续0，帧格式不正确，只需接收一个字符就可否定当前波特率。若接收波特率是发送波特率的8倍，若想使其发送的波特率的4倍与8倍波特接收的字符合法，不能有两个或两个以上的连续的0出现，且最低位为1又要使4倍波特接收的数不小于f0，可能发送的字节只有DB BB 7B B7 776F FB F7 EF DF BF 7F FF这13种。即接收一个字节不能排除当前波特率的概率约为5％。接收波特率分别是发送波特率的2倍与4倍时，若使2倍波特接收的字节不小于f8，则发送的格式须为0x111，故有13种情况，与上轮相同。若接收波特率分别为发送的2倍与相同时，符合条件的字符有F8 F9 FA FB FC FD FE FF8种，接收一个字符不抛弃2倍波特率的概率为1／32。若是38 400 b／s，接收一个字符就可排除57 600 b／s的概率：(ff-eo)／256<0.125。故通常情况下，很快就可锁定波特率。对于相差一倍的情况，只要发送一个小于80的字符就可确定了，即接收一个字符就可确定波特率的概率是50％。若是57 600 b／s，接收到flag_count合法的字符后就可认为是57 600 b／s，理论上flagcount越大越可靠。