串口通讯到底有没有累积误差？对时钟精度到底有何要求？

1. 问题背景：

对于嵌入式开发人员而言，串口模块是最常用的功能之一。在日常客户支持过程中，经常会遇到一些关于串口通信稳定性的问题，以下是几个典型问题的描述：

• 在9600波特率下可以正常工作，但切换到115200波特率后无法进行正常通信，是否与时钟精度有关？
• 串口通信的稳定性与时钟精度之间有何要求？波特率设置越高，对时钟精度的要求是否越高？内部RC时钟能否满足需求？
• 在一段时间后，串口通信正常运行的情况下出现通信错误，是由于累计误差导致的吗？

尽管网络上有很多关于串口配置的资料，但对于这些具体问题的描述却相对较少。因此，经过深入研究后我将针对这些问题进行相关探讨。

2. 问题分析:

想回答这些问题还要从串口通讯的采样时序说起，如上图所示，根据串口的采样特点不难看出，对于发送端来说，数据是在上升沿被drive到总线上，接收端在每个bit的中间位置采样，这就意味着在最后一个Bit位采样时，允许极限偏移为50%，假如用1个起始位+9个数据位+1个奇偶校验位+1个停止位来计算，那么每位偏差最高为：

±50% / 12 = ±4.16%

“

Note: 对于有些支持过采样的串口来说，采样点可能不是50%中间位置，一般会更靠后，此处不展开讨论；

假如用1个起始位+8个数据位+1个停止位来计算，那么每位偏差最高为：±50% / 10 = ±5%

”

而串口通信，要涉及到发送和接收两端，当一端为0误差，另一端最大误差可到4.16%，如果两端误差相同，那每端的最大误差就只能是2.08%，这也就是为什么很多硬件老法师建议串口的波特率误差控制在2%以内。

±4.16% / 2 = ±2.08%

因此，对于串口通信来说，可以粗略认为，当时钟误差小于±2%时，通信是比较可靠的。对于客户实际的应用系统，考虑到UART是一个异步通讯，通讯的稳定性取决于双方的时钟精度，不是说只有一方的精度满足要求，系统就能正常工作，所以需要系统去考虑。

3. 总结:

基于以上的分析，可以得出结论如下：

• 串口稳定通讯和双方的时钟精度和有关，总误差不能超过±4.16%，对于大部分全温度范围±1%的MCU来说，都能满足基本的通讯需求。
• 串口通讯的累计误差发生在每次数据(也可以简单理解成每个字节，只是字节不严谨，因为有时数据可能是9 bits)发送内部，连续的多次发送之间没有累计误差，因为连续的多个字节发送都会被Start起始信号进行重新同步，也就是说传输1个字节的误差和传输1000个字节的误差基本差不多；
• 串口是否稳定通讯和波特率大小无关，并非波特率配置越高对时钟精度要求就越高，只和每次发送的串口数据长度(包含起始位/数据位/奇偶校验位/停止位长度)有关, 位长越长，对时钟精度要求越高;
• 对于使用串口实现的LIN通讯，以上结论也基本适用;
• 以上结论仅从采样时序的角度分析，不考虑外界电磁干扰的影响，因为通常波特率越高，每位数据的时间长度越短，就越容易受到电磁干扰从而导致通信不可靠。

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