UART：了解通用異步接收器/發(fā)送器的硬件通信協(xié)議

作者：ADI公司 | Eric Pe?a，高級固件工程師 Mary Grace Legaspi，固件工程師

UART，即通用異步接收器/發(fā)送器，是最常用的設(shè)備間通信協(xié)議之一。本文將UART用作硬件通信協(xié)議應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行說明。

正確配置后，UART可以配合許多不同類型的涉及發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)的串行協(xié)議工作。在串行通信中，數(shù)據(jù)通過單條線路或?qū)Ь€逐位傳輸。在雙向通信中，我們使用兩根導(dǎo)線來進(jìn)行連續(xù)的串行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)要求，串行通信需要的電路和導(dǎo)線較少，可降低實(shí)現(xiàn)成本。

本文將討論使用UART的基本原則，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)包傳輸、標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議和定制幀協(xié)議；定制幀協(xié)議將是安全合規(guī)性方面的增值特性，尤其是在代碼開發(fā)期間。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，本文檔還旨在分享一些基本步驟，以檢查數(shù)據(jù)表的實(shí)際使用。

最后，本文的目標(biāo)是幫助更好地理解和遵循UART標(biāo)準(zhǔn)，以便最大程度地發(fā)揮其能力和應(yīng)用優(yōu)勢，特別是在開發(fā)新產(chǎn)品時。

“溝通最大的問題在于，人們想當(dāng)然地認(rèn)為已經(jīng)溝通了?！?/p>

——喬治·蕭伯納

通信協(xié)議在組織設(shè)備之間的通信時扮演著重要角色。它基于系統(tǒng)要求而以不同方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。此類協(xié)議具有特定的規(guī)則，為實(shí)現(xiàn)成功通信，不同設(shè)備都遵循該規(guī)則。嵌入式系統(tǒng)、微控制器和計(jì)算機(jī)大多將UART作為設(shè)備間硬件通信協(xié)議的一種形式。在可用通信協(xié)議中，UART的發(fā)送和接收端僅使用兩條線。盡管它是一種廣泛使用的硬件通信方法，但它并非在所有時候都是完全優(yōu)化的。在微控制器內(nèi)部使用UART模塊時，通常會忽略幀協(xié)議的適當(dāng)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)定義，UART是一種硬件通信協(xié)議，以可配置的速度使用異步串行通信。異步意味著沒有時鐘信號來同步從發(fā)送設(shè)備進(jìn)入接收端的輸出位。

接口

圖1.兩個UART彼此直接通信

每個UART設(shè)備的兩個信號分別命名為：

?發(fā)送器（Tx）

?接收器（Rx）

每個設(shè)備的發(fā)送器和接收器線的主要作用是用于串行通信的串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

圖2.帶數(shù)據(jù)總線的UART

發(fā)送UART連接到以并行形式發(fā)送數(shù)據(jù)的控制數(shù)據(jù)總線。然后，數(shù)據(jù)將在傳輸線路（導(dǎo)線）上一位一位地串行傳輸?shù)浇邮誙ART。反過來，對于接收設(shè)備，串行數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。UART線用作發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的通信介質(zhì)。請注意，UART設(shè)備具有專門用于發(fā)送或接收的發(fā)送和接收引腳。對于UART和大多數(shù)串行通信，發(fā)送和接收設(shè)備需要將波特率設(shè)置為相同的值。波特率是指信息傳輸?shù)叫诺赖乃俾?。對于串?a target="_blank">端口，設(shè)定的波特率將用作每秒傳輸?shù)淖畲笪粩?shù)。

表1總結(jié)了關(guān)于UART必須了解的幾點(diǎn)。

表1.UART概要

UART接口不使用時鐘信號來同步發(fā)送器和接收器設(shè)備，而是以異步方式傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)送器根據(jù)其時鐘信號生成的位流取代了時鐘信號，接收器使用其內(nèi)部時鐘信號對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。同步點(diǎn)是通過兩個設(shè)備的相同波特率來管理的。如果波特率不同，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時序可能會受影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理過程出現(xiàn)不一致。允許的波特率差異最大值為10%，超過此值，位的時序就會脫節(jié)。

數(shù)據(jù)傳輸

在UART中，傳輸模式為數(shù)據(jù)包形式。連接發(fā)送器和接收器的機(jī)制包括串行數(shù)據(jù)包的創(chuàng)建和物理硬件線路的控制。數(shù)據(jù)包由起始位、數(shù)據(jù)幀、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。

圖3.UART數(shù)據(jù)包

起始位

當(dāng)不傳輸數(shù)據(jù)時，UART數(shù)據(jù)傳輸線通常保持高電壓電平。若要開始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送UART會將傳輸線從高電平拉到低電平并保持1個時鐘周期。當(dāng)接收UART檢測到高到低電壓躍遷時，便開始以波特率對應(yīng)的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

圖4.起始位

數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀包含所傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)幀長度可以是5位到8位。如果不使用奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)幀長度可以是9位。在大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)以最低有效位優(yōu)先方式發(fā)送。

圖5.數(shù)據(jù)幀

奇偶校驗(yàn)

奇偶性描述數(shù)字是偶數(shù)還是奇數(shù)。通過奇偶校驗(yàn)位，接收UART判斷傳輸期間是否有數(shù)據(jù)發(fā)生改變。電磁輻射、不一致的波特率或長距離數(shù)據(jù)傳輸都可能改變數(shù)據(jù)位。接收UART讀取數(shù)據(jù)幀后，將計(jì)數(shù)值為1的位，檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)。如果奇偶校驗(yàn)位為0（偶數(shù)奇偶校驗(yàn)），則數(shù)據(jù)幀中的1或邏輯高位總計(jì)應(yīng)為偶數(shù)。如果奇偶校驗(yàn)位為1（奇數(shù)奇偶校驗(yàn)），則數(shù)據(jù)幀中的1或邏輯高位總計(jì)應(yīng)為奇數(shù)。當(dāng)奇偶校驗(yàn)位與數(shù)據(jù)匹配時，UART認(rèn)為傳輸未出錯。但是，如果奇偶校驗(yàn)位為0，而總和為奇數(shù)，或者奇偶校驗(yàn)位為1，而總和為偶數(shù)，則UART認(rèn)為數(shù)據(jù)幀中的位已改變。

圖6.奇偶校驗(yàn)位

停止位

為了表示數(shù)據(jù)包結(jié)束，發(fā)送UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低電壓驅(qū)動到高電壓并保持1到2位時間。

圖7.停止位

UART傳輸步驟

第一步：發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線并行接收數(shù)據(jù)。

圖8.數(shù)據(jù)總線至發(fā)送UART

第二步：發(fā)送UART將起始位、奇偶校驗(yàn)位和停止位添加到數(shù)據(jù)幀。

圖9.Tx側(cè)的UART數(shù)據(jù)幀

第三步：從起始位到結(jié)束位，整個數(shù)據(jù)包以串行方式從發(fā)送UART送至接收UART。接收UART以預(yù)配置的波特率對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。

圖10.UART傳輸

第四步：接收UART丟棄數(shù)據(jù)幀中的起始位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。

圖11.Rx側(cè)的UART數(shù)據(jù)幀

第五步：接收UART將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線。

圖12.接收UART至數(shù)據(jù)總線

幀協(xié)議

UART的一個關(guān)鍵特性是幀協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，但還沒有被充分使用。其主要用途和重要性是為每臺設(shè)備提供安全和保護(hù)方面的增值。例如，當(dāng)兩個設(shè)備使用相同的UART幀協(xié)議時，有可能在沒有檢查配置的情況下連接到同一個UART，設(shè)備會連接到不同的引腳，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

另一方面，實(shí)現(xiàn)幀協(xié)議可確保安全性，因?yàn)樾枰鶕?jù)設(shè)計(jì)幀協(xié)議解析接收到的信息。每個幀協(xié)議都經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，以確保唯一性和安全性。在設(shè)計(jì)幀協(xié)議時，設(shè)計(jì)人員可以給不同設(shè)備設(shè)置期望的報(bào)頭和報(bào)尾（包括CRC）。在圖13中，2個字節(jié)被設(shè)置為報(bào)頭的一部分。

圖13.UART幀協(xié)議示例

根據(jù)示例，您可以給您的設(shè)備設(shè)置獨(dú)有的報(bào)頭、報(bào)尾和CRC。

報(bào)頭1（H1為0xAB）和報(bào)頭2（H2為0xCD）

報(bào)頭是確定您是否在與正確的設(shè)備通信的唯一標(biāo)識符。

命令（CMD）選擇

命令將取決于用于創(chuàng)建兩個設(shè)備之間通信的命令列表。

每個命令的數(shù)據(jù)長度（DL）

數(shù)據(jù)長度將取決于所選的命令。您可以根據(jù)所選的命令來使數(shù)據(jù)長度最大化，因此它會隨選擇而變化。在這種情況下，數(shù)據(jù)長度可以調(diào)整。

數(shù)據(jù)n（可變數(shù)據(jù)）

數(shù)據(jù)是要從設(shè)備傳輸?shù)挠行лd荷。

報(bào)尾1（T1為0xE1）和報(bào)尾2（T2為0xE2）

報(bào)尾是在傳輸結(jié)束后添加的數(shù)據(jù)。就像報(bào)頭一樣，報(bào)尾也可以唯一標(biāo)識符。

循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC公式）

循環(huán)冗余校驗(yàn)公式是一種附加的錯誤檢測模式，用于檢測原始數(shù)據(jù)是否發(fā)生意外更改。發(fā)送設(shè)備的CRC值必須始終等于接收器端的CRC計(jì)算值。

建議為每個UART設(shè)備實(shí)現(xiàn)幀協(xié)議來增加安全性。幀協(xié)議要求發(fā)送和接收設(shè)備使用相同的配置。

UART工作原理

使用任何硬件通信協(xié)議時，首先必須檢查數(shù)據(jù)手冊和硬件參考手冊。以下是要遵循的步驟：

第一步：檢查設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊接口。

圖14.微控制器數(shù)據(jù)手冊

第二步：在存儲器映射下面檢查UART地址。

圖15.微控制器存儲器映射

第三步：檢查UART端口的具體信息，例如工作模式、數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗(yàn)位和停止位。

數(shù)據(jù)手冊中的UART端口詳細(xì)信息示例：

UART端口

示例MCU提供了一個全雙工UART端口，其與PC標(biāo)準(zhǔn)UART完全兼容。UART端口提供一個簡化的UART接口用于連接其他外設(shè)或主機(jī)，支持全雙工、DMA和異步串行數(shù)據(jù)傳輸。UART端口支持5到8個數(shù)據(jù)位，以及無校驗(yàn)、偶校驗(yàn)和奇校驗(yàn)。幀由一個半或兩個停止位終止。

第四步：檢查UART操作的詳細(xì)信息，包括波特率計(jì)算。波特率通過以下示例公式進(jìn)行配置。此公式隨微控制器而異。

UART操作的詳細(xì)信息示例：

?5到8個數(shù)據(jù)位

?1、2或1 ?個停止位

?無、偶數(shù)或奇數(shù)奇偶校驗(yàn)

?可編程過采樣率為4、8、16、32

?波特率 = PCLK/（（M + N/2048） × 2OSR + 2 × DIV

其中：

OSR（過采樣率）

UART_LCR2.OSR = 0至3

DIV（波特率分頻器）

UART_DIV = 1至65535

M（DIVM小數(shù)波特率M）

UART_FBR.DIVM = 1至3

N（DIVM小數(shù)波特率M）

UART_FBR.DIVN = 0至2047

第五步：對于波特率，務(wù)必檢查要使用的外設(shè)時鐘（PCLK）。此示例有26 MHz PCLK和16 MHz PCLK可用。請注意，OSR、DIV、DIVM和DIVN隨設(shè)備而異。

第六步：下一部分是檢查UART配置的詳細(xì)寄存器。了解計(jì)算波特率時的參數(shù)，例如UART_LCR2、UART_DIV和UART_FBR。表4要列出所涉及的具體寄存器。

　　表4.UART寄存器描述

第七步：檢查每個寄存器下的詳細(xì)信息，代入值以計(jì)算波特率，然后開始實(shí)現(xiàn)UART。

為何重要？

當(dāng)開發(fā)穩(wěn)健的、質(zhì)量驅(qū)動的產(chǎn)品時，熟悉UART通信協(xié)議非常有優(yōu)勢。知道如何僅使用兩條線發(fā)送數(shù)據(jù)，以及如何傳輸整個數(shù)據(jù)包或有效載荷，將有助于確保數(shù)據(jù)正確無誤地發(fā)送和接收。UART是最常用的硬件通信協(xié)議，具備相關(guān)知識可以在將來的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性。

用例

您可以將UART用于許多應(yīng)用，例如：

?調(diào)試：在開發(fā)過程中及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)錯誤很重要。添加UART便可從系統(tǒng)捕捉消息，幫助排除錯誤。

?制造功能級追蹤：日志在制造業(yè)中非常重要。通過日志可確定功能，提醒操作員生產(chǎn)線上正在發(fā)生的事情。

?客戶更新：軟件更新非常重要。完整的動態(tài)硬件和支持更新的軟件對于擁有完整系統(tǒng)至關(guān)重要。

?測試/驗(yàn)證：在產(chǎn)品離開制造過程之前進(jìn)行驗(yàn)證有助于為客戶提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

“UART通信基礎(chǔ)”。Electronics Hub，2017年7月。

Campbell， Scott?！癠ART通信基礎(chǔ)”。電路基礎(chǔ)。

Keim， Robert?！盎氐交A(chǔ)：通用異步接收器/發(fā)送器”。關(guān)于電路的一切，2016年12月。

“何為UART協(xié)議？UART通信闡釋”。Arrow。

作者簡介

Eric Peňa是一名高級固件工程師，隸屬設(shè)計(jì)與布局團(tuán)隊(duì)，在ADI公司的消費(fèi)者軟件工程部門工作。2019年4月加入ADI公司，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。畢業(yè)于馬尼拉亞當(dāng)森大學(xué)，獲計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。Eric之前曾在Technology Enabler Designer擔(dān)任固件工程師，還曾在Fujitsu Ten Solutions擔(dān)任系統(tǒng)工程師。聯(lián)系方式：eric.pena@analog.com。

作者簡介

Mary Grace Legaspi是一名固件工程師，隸屬設(shè)計(jì)與布局團(tuán)隊(duì)，在ADI公司的消費(fèi)者軟件工程部門工作。2018年9月加入ADI公司，工作地點(diǎn)位于菲律賓甲米地。畢業(yè)于塔拉克州立大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。目前正在攻讀菲律賓大學(xué)管理碩士學(xué)位。