基于边沿采样的 RS485 帧格式自识别解码方法

發表於 2026-05-30 分類於开发笔记

概述

本方法用于将 RS485 总线电平翻转边沿的时间序列还原为原始字节流，在RS485多主多从总线仲裁的基础上实现波特率自适应、帧格式自识别的无侵入总线数据监测。

效果演示：

硬件基础

边沿捕获

解码的数据来源是定时器捕获的连续边沿时间戳。当 RS485 总线上发生电平翻转(上升沿/下降沿)时，触发定时器中断，记录当前计数值存入环形缓冲区。

边沿跳变: ‾‾\__/‾‾\__/‾‾\__/‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾\__/‾‾
            ↑  ↑  ↑  ↑  ↑  ↑           ↑  ↑
时间序列:   t0 t1 t2 t3 t4 t5          t6 t7

每个字节至少产生一个起始位下降沿，加上数据位内部的翻转，一个字节通常产生多个边沿。

最小位宽

采样过程中会对边沿间隔做最小簇均值滤波：

记录每个边沿与上一个边沿的时间差，记作脉宽 Wₑ。
首个脉宽误差较大，直接丢弃。
若 Wₑ < Wᵦ * (0.5 + 0.1)：发现更小的边沿间隔，重置位宽加权平均值 Wᵦ。
若 Wₑ < Wᵦ * (1.0 + 0.1)：视作等宽的边沿间隔，纳入位宽加权平均值 Wᵦ。

这样得到一个零样本的先验位宽均值 Wᵦ，单位为定时器时钟周期数。

若前 X 个字节是以 81O 发送的连续 0xF0 或者以 81E 发送的连续 0xE0 或其他类似的情况，在位宽推测期间得到的最小脉宽与实际位宽不符，则无法正确解码。

8/1/O
0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1   F0
0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1   F0
0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1   F0
0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1   F0
0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1   F0  会被错误解码为 22222/8/1/N 的 0x55 (0 1 0 1 0 1 0 1 0 1)

8/1/E
0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1   E0
0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1   E0
0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1   E0
0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1   E0
0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1   E0  会被错误解码为 22222/8/1/N 的 0x55 (0 1 0 1 0 1 0 1 0 1)

解码流程

完整解码经过以下几个阶段：

波特率匹配

建立一张常用波特率表：

波特率	理论位宽
300	3333
600	1667
1200	833
2400	417
4800	208
9600	104
19200	52
38400	26
57600	17
115200	9

理论位宽 = Round(定时器频率(1MHz) / 波特率)

将实测的位宽以 ±1% 容错率与上表匹配，匹配成功则用理论位宽替换实测值，失败则用实测值继续。这样既能适应非标准波特率，又能规整常见波特率的位宽，提升后续解码准确率。

时间戳对齐

输入：原始边沿时间序列
输出：规整边沿时间序列

目的：将受硬件噪声、布线延迟等影响的原始时间戳”对齐”到理想位宽的整数倍位置上。

为什么要对齐？

下图中橙色折线是采样边沿，蓝色折线是理论边沿。看似误差不大，但随着时间积累，误差线性递增，会导致后续的位宽步进扫过时无法正确判断边沿位置，最终导致比特流重建失败。

虽然边沿误差会越来越大，但是脉宽误差却是比较稳定的，通过规整脉宽将采样边沿对齐到最近的位宽整数倍位置，可以大幅提高解码准确率。

$W_{E} = R o u n d (W_{e} / W_{b}) \times W_{b} W_{e} = t_{n} - t_{n - 1}$

比特流重建

输入：理想边沿时间序列
输出：二进制比特流数组

目的：按理想位宽步进扫过时间轴，在每个理想位宽位置判断是否有真实边沿落在容差范围内。有边沿则翻转比特值，无边沿则保持。目的是补全缺失的边沿位置（如连续多个相同电平位），确保时间轴是均匀的位宽步进。

0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1
0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1
1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0
1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 # # # # # # #

帧格式识别

从重建的比特流中自动推断 UART 帧格式（数据位数、是否有校验位、校验位类型），为后续比特流还原成字节提供依据。

[起始位(0)] [数据位(5/6/7/8/9)] [校验位(N/O/E)] [停止位(1/2/1.5)]

候选格式

由于数据位和停止位自动识别的成功率不高且应用较少，目前只考虑 8 数据位和 1 停止位的情况。

候选	数据位	校验位	帧长度	帧布局
81N	8	0	10	`S(0) \| D0‥D7 \| S(1)`
81P	8	1	11	`S(0) \| D0‥D7 \| P \| S(1)`

评分体系

第一轮评分不区分奇/偶，只判断校验位是否存在。第二轮再用奇/偶校验公式推测校验类型。

分值 = 起始位匹配帧数 × 10  +  停止位匹配帧数 × 2  +  校验位规律帧数 × (6 or 1 or 0)

项目	权重	检查条件
起始位=0帧数	×2	每帧必查
停止位=1帧数	×10	每帧必查
校验位有规律	+6	有校验位且停止位有效
校验位无规律	+1	有校验位且停止位有效

取样帧数：平衡样本量与计算量，最多检查前 8 帧。

真实格式	81N 得分	81P 得分
81N	= N × 12	≈ N × 05
81P	≈ N × 05	= N × 18

只要 N ≥ 1，错误候选的分差远大于正确候选，格式识别非常可靠。

字节流提取

按照上面识别出来的帧格式，逐帧校验：

起始位必须为 0
停止位必须为 1

通过校验后，提取数据位，组装为字节值：

M1: (115200/8/1/E) (9±1) 20:
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1   FE
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1   FE
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1   FE
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1   FE
0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1   68
0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1   01
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1   68
0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1   11
0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1   04
0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1   33
0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1   35
0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1   34
0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1   35
0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1   B7
0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1   16

SL: (115200/8/1/E) (9±1) 23:
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1   FE
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1   FE
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1   FE
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1   FE
0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1   68
0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1   01
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   00
0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1   68
0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1   91
0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1   07
0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1   33
0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1   34
0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1   34
0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1   35
0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1   33
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1   44
0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1   35
0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1   E5
0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1   16