UART通訊原理

- 前言 -

開發(fā)中經(jīng)常用到串口通訊，串即串行，顧名思義，是指數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)線上按照二進(jìn)制的數(shù)位，從低到高位一位一位的傳輸。單片機(jī)中的串口有UART，USART。

UART/USART 在許多 DIY 電子項目中用于將 GPS 模塊、藍(lán)牙模塊、 RFID 讀卡器模塊等連接到Raspberry Pi、Arduino 或其他微控制器。

- UART -

UART介紹：

我們今天要介紹的UART，全稱Universal Asynchronous

Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器。使用TTL電平信號，和電腦的COM口（遵循RS-232）不同。它們之間不能直接通訊，需要在之間加入轉(zhuǎn)換器（如MAX232）。

Tips：

采用二進(jìn)制來表示數(shù)據(jù)時：

TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）電平信號規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。

RS-232規(guī)定邏輯“1”的電平為-5V~-15 V，邏輯“0”的電平為+5 V～+15 V

UART工作原理：

和其它串口一樣，數(shù)據(jù)按照二進(jìn)制從低位到高位一位一位的傳輸，能將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在串行通信與并行通信之間加以轉(zhuǎn)換，能夠靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。例如要傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)10001110，它是從低位0開始，一位一位的傳輸過去。

在 UART 通信中，兩個 UART 直接相互通信。發(fā)送端將來自控制設(shè)備（如 CPU）的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行形式，接著將其串行傳輸?shù)浇邮斩耍缓蠼邮斩藢⒋袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)以供接收設(shè)備使用。

數(shù)據(jù)從一個UART的發(fā)送引腳（Tx） 流向另一個UART的接收（Rx） 引腳：

UART通訊分類：

單工：UART只用Tx或Rx其中一根線進(jìn)行通訊，也就是只作接收或發(fā)送；

半雙工：UART在同一時間，只用作發(fā)送或接收；

全雙工：UART在發(fā)送的同時，也可以接收；

UART波特率：

UART的波特率是指每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)（單位bps），比如9600bps,意思就是每秒鐘可以傳輸9600個位（bit）。

例如：設(shè)字符傳輸?shù)乃俾蕿?20字符/秒，而每1個字符為10位（bit），那么傳送的波特率為：10位/字符 * 120 字符/秒 = 1200 /秒 = 1200bps。那么每1位二進(jìn)制位（bit）的傳送時間：

T = 1/1200 = 0.833ms

UART要求發(fā)送與接收兩個UART的波特率配置相同。如果發(fā)送與接收波特率不同，相差很大，接收端采樣點跨過多個電平，造成接收丟失，或者造成波特率不匹配，接收失敗，如下圖：

常見的波特率有9600、115200、128000、256000等。

- 通訊 -

通訊過程：

UART屬于異步傳輸數(shù)據(jù)，這意味著沒有時鐘信號將發(fā)送的位輸出與接收的位采樣同步，也就是發(fā)送與接收使用各自的時鐘。發(fā)送端將開始和停止位添加到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀中，通過數(shù)據(jù)幀中定義的開始位和結(jié)束位，接收端知道何時開始讀取這些位。

每個數(shù)據(jù)幀包含 1 個起始位、5 到 9 個數(shù)據(jù)位（取決于 UART的設(shè)置，如果有奇偶校驗位是5到8，沒有則是5到9）、一個可選的奇偶校驗位和 1 個或 2 個停止位：

起始位：UART 數(shù)據(jù)傳輸線在不傳輸數(shù)據(jù)時通常保持在高電平。要開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端UART先在一個時鐘周期內(nèi)將傳輸線從高電平拉到低電平。當(dāng)接收端UART 檢測到從高到低的電壓轉(zhuǎn)換時，它開始以設(shè)置好的波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)幀包含正在傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗位，它可以是 5 位到 8 位。如果不使用奇偶校驗位，則數(shù)據(jù)幀可以是 9 位。在大多數(shù)情況下，首先發(fā)送的數(shù)據(jù)是最低有效位。

校驗：奇偶校驗位是接收端UART 判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生變化的一種方式。位會因電磁輻射、不匹配的波特率或長距離數(shù)據(jù)傳輸而發(fā)生改變。接收端 UART 讀取數(shù)據(jù)幀后，檢查數(shù)據(jù)部分值為1的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。當(dāng)奇偶校驗位與數(shù)據(jù)匹配時，UART 知道傳輸沒有錯誤。

停止：發(fā)送端UART 將數(shù)據(jù)傳輸線從低電平拉到高電平持續(xù)至少兩個位的時間來表示整個數(shù)據(jù)包的傳輸已經(jīng)結(jié)束。

發(fā)送接收過程：

1.UART 從數(shù)據(jù)總線并行接收數(shù)據(jù)：

2.發(fā)送 UART 將起始位、奇偶校驗位和停止位添加到數(shù)據(jù)幀：

3.整個數(shù)據(jù)包從發(fā)送 UART 串行發(fā)送到接收 UART。接收 UART 以預(yù)配置的波特率對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣：

4.接收 UART 丟棄數(shù)據(jù)幀中的起始位、奇偶校驗位和停止位：

5.接收端 UART 將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線：