RS232 波特率时钟产生方法？

aixuexidewau1 2019-09-04

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讲到了该接口的传输速率，也就是波特率可以为：

1200 bauds.
9600 bauds.
38400 bauds.
115200 bauds (usually the fastest you can go).

在这里，我们希望以最大速度使用串行链路，即115200波特（较慢的速度也很容易生成）。 FPGA通常以MHz速度运行，远高于115200Hz（按照今天的标准，RS-232相当慢）。我们需要找到一种方法来生成（从FPGA时钟）一个“tick”，尽可能接近每秒115200次。

产生波特率的方法可以分为两种，原理近似：

方法一

传统上，RS-232芯片使用1.8432MHz时钟，因为这样可以非常容易地生成标准波特频率...... 1.8432MHz除以16得到115200Hz。

可以以下面的方法来分频得到分频时钟（波特率时钟）：

// let's assume the FPGA clock signal runs at 1.8432MHz
// we create a 4-bit counter
reg [3:0] BaudDivCnt;
always @(posedge clk) BaudDivCnt <= BaudDivCnt + 1; // count forever from 0 to 15
// and a tick signal that is asserted once every 16 clocks (so 115200 times a second)
wire BaudTick = (BaudDivCnt==15);

那很简单。但是，如果不是1.8432MHz，你有2MHz的时钟怎么办？要从2MHz时钟产生115200Hz，我们仍可以采用分频的方法，但是这里的分频会产生误差，尽管如此，这是FPGA所容许的。

2000_000/115200=17.361111111111111111111111111111

可以采用17分频的方法来产生这样的波特率。

采用Verilog描述：

module baud_gen_n17d(
	input clk,
	input enable,
	output reg BaudTick = 0
);
	reg [4:0] baud_count = 0;
/* 	always@(posedge clk) begin
		if(enable && baud_count < 16) begin
			baud_count <= baud_count + 1;
			BaudTick <= 0;
		end
		else if(enable && baud_count == 16) begin
			baud_count <= 0;
			BaudTick <= 1;
		end
		else ;
	end */
	always@(posedge clk) begin
		if(enable) begin
			if(baud_count < 16) begin
				baud_count <= baud_count + 1;
				BaudTick <= 0;
			end
			else if(baud_count == 16) begin
				baud_count <= 0;
				BaudTick <= 1;
			end
			else ;
		end
		else ;
	end
endmodule

Testbench文件为：

module baud_gen_f17_tb(
);
	reg enable;
	reg clk;
	wire Baud_Tick;
	initial begin
		clk = 0;
		forever
			# 250 clk = ~clk;
	end
	initial enable = 1;
	baud_gen_n17d u0(
	.clk(clk),
	.enable(1'b1),
	.BaudTick(Baud_Tick)
	);
endmodule

仿真波形为：

从仿真波形中可以看出，传输一位数据需要8.75us，那么传输10bit数据需要87.5us；

如果波特率为标准的115200的话，那么传输1bit数据需要8.68us，那么传输10bit数据需要86.8us；

二者误差相差0.7us；

如果采用标准波特率的话，一位停止位就占了8.68us，这点误差算的了什么呢？况且RS232接收数据采用过采样，所以，不必担心采用分频时钟生成的波特率不准确的问题。

下面是请教前辈的聊天记录：

有这样的前辈，耐心的教我这个菜鸟，还真是很感动呢！

方法二

前面方法一是一种常规意义上的分频而已，没有那么多的花里胡哨，也很好理解，但是在我们的主要参考链接中给出了另外一种方法，链接：Baud generator

还以2MHz的系统时钟为例，要产生115200的波特率时钟。

前面我们算过二者的比率为：2000000/115200=17.361111111111111111111111111111；

文中的思路是：

期望2000000是2的幂。显然2000000不是。所以我们改变比率...而不是“2000000/115200”，让我们使用“1024/59”= 17.356。这非常接近我们的理想比率，并且实现了高效的FPGA实现：我们使用增量为59的10位累加器，每次累加器溢出时都会标记一个Tick。

这是个什么原理呢？

通过比率相似，我们可以取一个计数器，位数恰好能计数到1024，那么选一个10位的计数器（实际上是11位，后面解释），累加器每次累加59，会发现计数到第17个59时，累加器溢出，溢出一个时钟，这样我们可以取溢出位为Tick，这样就实现了计数17，Tick就有效一次，和17分频原理一致呀。

这种方法的要点在于，我们需要找到一个2的幂次的分子，来凑出相似比率。

当然，如果你忘记了这种方法，还可以直接用方法一，也即是直接分频的方法。

下面对这种方法进行仿真：

以FPGA系统时钟为2MHz为例，

Verilog描述代码：

module BaudGen(
	input clk,
	input enable,
	output BaudTick
);
	// let's assume the FPGA clock signal runs at 2.0000MHz
	// we use a 10-bit accumulator plus an extra bit for the accumulator carry-out
	reg [10:0] acc = 0;   // 11 bits total!
	// add 59 to the accumulator at each clock
	always @(posedge clk) begin
		if(enable)
			acc <= acc[9:0] + 59; // use 10 bits from the previous accumulator result, but save the full 11 bits result
		else	
			acc <= 59;
	end
	assign BaudTick = acc[10]; // so that the 11th bit is the accumulator carry-out
endmodule

testbench文件：

module BaudGen_tb(
);
	reg clk;
	wire BaudTick;
	initial begin
		clk = 0;
		forever
			#250 clk = ~clk;
	end
	BaudGen u_BaudGen(
	.clk(clk),
	.enable(1'b1),
	.BaudTick(BaudTick)
	);
endmodule

仿真波形为：

看细节：

计数值超过1024后，最高位变为1，同时BaudTick变为高电平，持续时间为一个时钟周期。

通过下图计算下传输1bit数据需要多久：

经过简单计算，需要8.5us传输1bit，那么1s中传输多少位呢？1000000/8.5=117647;

然后我们算算误差多大：（117647 - 115200）/115200 = 0.02；可见误差很小。

前面方法一也说了，这种误差我们完全可以接受。

波特率参数化产生方法

由于前面已经铺垫过了，所以这种参数化完全是套用下参数而已，直接引用链接：https://www./SerialInterface2.html

参数化FPGA波特率发生器

之前的设计使用的是10位累加器，但随着时钟频率的增加，需要更多的位。

这是一个25MHz时钟和16位累加器的设计。设计参数化，易于定制。

parameter ClkFrequency = 25000000; // 25MHz
parameter Baud = 115200;
parameter BaudGeneratorAccWidth = 16;
parameter BaudGeneratorInc = (Baud<<BaudGeneratorAccWidth)/ClkFrequency;

reg [BaudGeneratorAccWidth:0] BaudGeneratorAcc;
always @(posedge clk)
BaudGeneratorAcc <= BaudGeneratorAcc[BaudGeneratorAccWidth-1:0] + BaudGeneratorInc;

wire BaudTick = BaudGeneratorAcc[BaudGeneratorAccWidth];

最后一个实现问题：“BaudGeneratorInc”计算错误，因为Verilog使用32位中间结果，计算超出了这个。更改以下行以获得解决方法。

parameter BaudGeneratorInc = ((Baud<<(BaudGeneratorAccWidth-4))+(ClkFrequency>>5))/(ClkFrequency>>4);

此行还具有对结果进行舍入而不是截断的附加优势。

现在我们拥有足够精确的波特率发生器，我们可以继续使用RS-232发送器和接收器模块。

最后一个参数化还是会让人产生疑惑的，算了还是直接用自己的方法吧，花里胡哨的：

module BaudGen_param(
	input clk,
	input enable,
	output BaudTick
);
	parameter ClkFrequency = 25000000; // 25MHz
	parameter Baud = 115200;
	parameter Ratio = ClkFrequency/Baud;
	parameter BaudGeneratorAccWidth = 16;
	parameter BaudGeneratorInc = (1<<BaudGeneratorAccWidth)/Ratio;
	reg [BaudGeneratorAccWidth:0] BaudGeneratorAcc = 0;
	always @(posedge clk)
		if(enable)
			BaudGeneratorAcc <= BaudGeneratorAcc[BaudGeneratorAccWidth-1:0] + BaudGeneratorInc;
		else
			BaudGeneratorAcc <= BaudGeneratorInc;
	assign BaudTick = BaudGeneratorAcc[BaudGeneratorAccWidth];
endmodule

测试文件为：

module BaudGen_Param_tb;
	reg clk;
	wire BaudTick;
	initial begin
		clk = 0;
		forever
			#20 clk = ~clk;
	end
	BaudGen_param u0(
	.clk(clk),
	.enable(1'b1),
	.BaudTick(BaudTick)
	);
endmodule