可以同時(shí)應(yīng)用于不同終端設(shè)備的波特率發(fā)生器

崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 引語

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)。

一些比較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，基于性能的需求可能需要連接不同的終端設(shè)備，如磁帶機(jī)、打印機(jī)、語聲合成器、顯示器等，而不同設(shè)備接口在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所要求的頻率往往不同，所以嵌入式系統(tǒng)需要為每種終端設(shè)備提供不同的波特率發(fā)生器。

比如嵌入式系統(tǒng)常利用串口連接不同終端設(shè)備，這里的串口一般是指UART口，不同的UART口可能需要不同的波特率發(fā)生器為其提供工作時(shí)鐘頻率。一般利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器如8253電路或單片機(jī)(如51系列單片機(jī))作為波特率發(fā)生器。

我們通常不可能在不同的終端設(shè)備之間或不同的UART口之間使用同一個(gè)波特率發(fā)生器，但我們另外可以加若干個(gè)波特率發(fā)生器到計(jì)算機(jī)或不同終端里的UART中去。

設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的波特率發(fā)生器，它僅使用一個(gè)CMOS集成電路就可提供7種不同波特率信號(hào)，這個(gè)波特率發(fā)生器主要基于一塊14級(jí)CMOS二進(jìn)制計(jì)數(shù)器/振蕩器電路，型號(hào)為CD4060。

1 CD 4060簡介

這種波特率發(fā)生器之所以可以產(chǎn)生如此多的時(shí)鐘信號(hào)，主要使用一塊14級(jí)CMOS二進(jìn)制計(jì)數(shù)器/振蕩器電路CD4060，CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 CD4060內(nèi)部電路功能框圖

由圖可知CD4060具有10個(gè)計(jì)數(shù)輸出端,而且其內(nèi)置了振蕩電路，振蕩器通過管腳9、10、11外接R/C元件或石英晶體就可以形成可控多諧振蕩，振蕩器已在內(nèi)部連接到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端，復(fù)位端R(12腳)為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零或復(fù)位(Q4～Q14輸出皆為“0”)，且振蕩器使用無效；復(fù)位端R(12腳)為高電平時(shí)，由于外接的振蕩定時(shí)元件控制產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，由時(shí)鐘脈沖CP下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)(如圖1的CP端)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，一個(gè)周期后在相應(yīng)的管腳可以輸出4分頻到10分頻，12分頻到14分頻的脈沖信號(hào)，其中Q14中的“14”即為14分頻輸出，其它類推[2]。

2 基于CD4060的波特率發(fā)生器

為了降低設(shè)計(jì)成本，我們設(shè)計(jì)的波特率發(fā)生器僅采用一個(gè)集成電路CD4060、三個(gè)電阻、兩個(gè)電容和一個(gè)預(yù)置電位器組成，電路結(jié)構(gòu)可劃分為可控多諧振蕩電路、計(jì)數(shù)器電路、波特率信號(hào)輸出電路以及復(fù)位電路四部分，如圖2所示。

圖2 基于CD4060的波特率發(fā)生器電氣原理圖

上文已經(jīng)指出CMOS集成電路4060是一個(gè)十四級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它帶有一個(gè)內(nèi)部振蕩器，其振蕩頻率僅需由9、10、11腳外接R/C元件來確定，電阻R1、預(yù)置電位器P1、電容C1串連接于管腳9、10之間；電阻R2連接4060管腳11以及電位器P1之間。

主振蕩頻率可以由以下公式計(jì)算：

式中：f為赫茲，R為歐姆，C為法拉。

2.1 波特率發(fā)生器的工作過程

計(jì)數(shù)器的工作過程應(yīng)該是這樣的，由于4060的12腳為計(jì)數(shù)器復(fù)位端，計(jì)數(shù)器首先應(yīng)置12腳為高電平以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器清零或復(fù)位，這樣可以使計(jì)數(shù)器的10個(gè)輸出皆輸出“0”電平，且振蕩器使用無效。

第二步使復(fù)位端(12腳)置“0”，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，一個(gè)周期后在相應(yīng)的管腳就可以輸出從4分頻到10分頻，12分頻到14分頻的脈沖信號(hào)，形成我們所要求的波特率，例如Q4即為4分頻的波特率輸出端，Q10為10分頻的波特率信號(hào)輸出端……。

2.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

由R/C電路構(gòu)成的微分電路的結(jié)構(gòu)及其輸入輸出波形分析如圖3所示，圖3可以看出，如果微分電路的輸入電壓為方波，則其輸出為尖頂波。

圖3 微分運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)圖與輸入輸出波形分析圖

在計(jì)數(shù)器4060的12腳設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器復(fù)位電路，如圖2所示電路中的電容C2與電阻R3構(gòu)成的復(fù)位電路實(shí)際組成了一個(gè)微分運(yùn)算電路。

圖2電路中的復(fù)位電路工作原理可以這樣描述，電源VCC上電時(shí)，電容C2充電，由于電容有端電壓不能突變的特性，故在電阻R3上出現(xiàn)電壓，使得計(jì)數(shù)器復(fù)位或清零;幾個(gè)毫秒后，C2充滿電，電阻R3上電流降為0，電壓也為0，使得計(jì)數(shù)器進(jìn)入工作狀態(tài)，開始計(jì)數(shù)。

為了方便控制計(jì)數(shù)器的工作，設(shè)計(jì)一個(gè)人工復(fù)位按鈕，即在電容器C2兩端添加一個(gè)輕觸按鈕S，如圖2所示。計(jì)數(shù)器正式工作期間，按下輕觸按鈕S，電容C2放電，在電阻R3上出現(xiàn)電壓，使得計(jì)數(shù)器復(fù)位。松開按鈕S，電容C2又充電，幾個(gè)毫秒后，計(jì)數(shù)器又進(jìn)入工作狀態(tài)，開始計(jì)數(shù)[3]。

復(fù)位電路也可以如圖4所示設(shè)計(jì)，這種復(fù)位電路能夠?yàn)橛?jì)數(shù)器4060的12腳提供很準(zhǔn)確的“0”電平，因此復(fù)位效果更好。

圖4 由晶體管構(gòu)成的復(fù)位電路

2.3 波特率發(fā)生器的輸出

當(dāng)電源接通后，經(jīng)過復(fù)位電路提供復(fù)位信號(hào)，計(jì)數(shù)器開始工作，這時(shí)計(jì)數(shù)器4060的各輸出端就可以輸出波特率時(shí)鐘信號(hào)，如電路圖2所示，按照?qǐng)D中所示參數(shù)，波特率發(fā)生器的不同輸出端的頻率如表1所示。

表1 波特率發(fā)生器各個(gè)管腳輸出波特率表

各個(gè)輸出不同波特率的線已經(jīng)在電路圖2中標(biāo)出，我們可以用一個(gè)連接線連接不同的輸出端子，以選擇所需的波特率輸出。

3 調(diào)試

本振蕩器可以用電位器P1調(diào)整到適當(dāng)?shù)念l率。我們可以用示波器測量4060第9腳的輸出或Q4～Q10的任意一腳的輸出信號(hào)頻率。其頻率在第9腳上為38.4 kHz,Q4～Q10腳上應(yīng)為圖2或波特率表所標(biāo)出的波特率。

我們常常會(huì)需要時(shí)鐘頻率為波特率的16倍，意思就是在接收終端設(shè)備的傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用波特率的16倍頻率作為接收時(shí)鐘，例如異步工作的8251等串口芯片，簡單解釋如下。

標(biāo)準(zhǔn)UART(通用異步收發(fā)傳輸器)的RXD前端有一個(gè)"1到0跳變檢測器",當(dāng)其連續(xù)接收到8個(gè)RXD上的低電平時(shí)，該檢測器就認(rèn)為RXD線出現(xiàn)了起始位，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，在接收狀態(tài)，接收控制器對(duì)數(shù)據(jù)位7、8、9三個(gè)脈沖采樣，并遵從三中取二的原則確定最終值。采用這一方法的根本目的仍然還是為了增強(qiáng)抗干擾，以提高數(shù)據(jù)傳送的可靠性，采樣信號(hào)總是在每個(gè)接收位的中間位置，這樣可以避開數(shù)據(jù)位兩端的邊沿失真，也可以防止接收時(shí)鐘頻率和發(fā)送時(shí)鐘頻率不完全同步引起的誤差[4]。

所以，為了得到這一時(shí)鐘頻率，我們可以將圖2中電容C1容量由原來的470n更換為現(xiàn)在的27nF，4060第9腳的振蕩頻率應(yīng)調(diào)到614.4 kHz。

4 結(jié)語

CD4060內(nèi)置振蕩源、具有10個(gè)計(jì)數(shù)輸出端，本設(shè)計(jì)巧妙利用這個(gè)十四級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 將其主振蕩頻率通過各分頻輸出端口，得到4分頻到10分頻，12分頻到14分頻的脈沖信號(hào)，從而得到了不同的波特率輸出，本文所設(shè)計(jì)的波特率發(fā)生器可以同時(shí)為7個(gè)不同的終端設(shè)備提供波特率信號(hào)，避免了不同的終端設(shè)備之間或不同的UART口之間使用同一個(gè)波特率發(fā)生器的弊端。

設(shè)計(jì)電路比較簡單，但非常實(shí)用，可以很方便地應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)里，性價(jià)比頗高。