收藏 | 电子通信协议之UART通信协议篇

还记得以前打印机、鼠标和调制解调器都会带有那些笨拙的连接器的粗电缆的时代吗？从字面上来解读，就是必须拧入您的计算机的那些？这些设备可能正在使用UART协议与您的计算机进行通信。尽管USB几乎完全取代了那些旧的电缆和连接器，但是UART绝不会是一个过时的东西。您会发现许多DIY电子项目中仍然使用UART将GPS模块、蓝牙模块和RFID读卡器模块连接到Raspberry Pi、Arduino或者其他微控制器。

UART代表通用异步接收器/发送器。它不是像SPI和I2C这样的通信协议，而是微控制器中的物理电路或独立的IC。UART的主要目的是发送和接收串行数据。

关于UART最好的一点是其仅使用两条线在设备之间传输数据。UART的原理很容易理解，但是如果您还没有阅读本系列的第一部分，那么SPI通信协议的基础知识可能会是一个不错的起点。

UART通信导论

在UART通信中，两个UART直接相互通信。发送UART将来自控制设备（如CPU）的并行数据转换为串行形式，以串行方式将其发送到接收UART，然后由接收UART将串行数据转换回并行数据以用于接收设备。只需要两条线即可在两个UART之间传输数据。数据从发送UART的Tx引脚流到接收UART的Rx引脚：

UART异步传输数据意味着没有时钟信号使发送UART的输出位与接收UART采样位同步。发送UART取代了时钟信号，将开始位和停止位添加到正在传输的数据包中。这些位定义了数据包的开始和结束，因此接收UART知道何时开始读取这些位。

当接收UART检测到起始位时，它将开始以称为波特率的特定频率读取输入位。波特率是数据传输速度的度量，以每秒的比特位（bps）表示。两个UART必须以大约相同的波特率工作。在位的时序变得太远之前，发送和接收UART之间的波特率只能相差约10%。

另外，还必须将两个UART配置为发送和接收相同的数据包结构。

UART是如何工作的？

将要发送数据的UART从数据总线接收数据。数据总线用于通过其他设备（例如CPU、内存或微控制器）将数据发送到UART。数据以并行形式从数据总线传输到发送UART。发送UART从数据总线获取并行数据后，它将添加起始位、奇偶校验位和停止位，以创建数据包。接着，数据包在Tx引脚上逐位串行输出。接收UART在其Rx引脚上逐位读取数据包。然后，接收UART将数据转换回并行形式，并删除起始位、奇偶校验位和停止位。最后，接收UART将数据包并行传输到接收端的数据总线：

UART传输的数据被组织成数据包，每个数据包包含1个起始位、5到9个数据位（取决于UART）、1个可选奇偶校验位，以及1个或2个停止位：

起始位

UART数据传输线通常在不传输数据时保持在高电压电平。为了开始数据的传输，发送UART在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平。当接收UART检测到高电压到低电压的转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

数据帧

数据帧包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以是5位，最多可达8位。如果不使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以为9位。在大多数情况下，数据首先以最低有效位发送。

奇偶校验位

奇偶校验描述一个数的性质，分为偶数或奇数。奇偶校验位是接收UART判断在传输期间是否有任何数据更改的一种方式。可以通过电磁辐射、不匹配的波特率或长距离数据传输来更改位。在接收UART读取数据帧后，它将对值为1的位数进行计数，并检查其总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0（偶校验），则数据帧中的1位应总计为偶数。如果奇偶校验位为1（奇校验），则数据帧中的1位应总计为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART知道传输没有错误。但是，如果奇偶校验位为0，且总数为奇数；或者如果奇偶校验位为1，且总数为偶数，则UART知道数据帧中的位已经更改。

停止位

为了向数据包的结尾发出信号，发送UART在至少两个位的持续时间内将数据传输线从低电压驱动到高电压。

UART传输的步骤：

1. 发送UART从数据总线并行接收数据：

1. 发送UART将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧：

1. 整个包从发送UART串行发送到接收UART。接收UART以预先配置的波特率对数据线进行采样：

    

1. 接收UART丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位：

1. 接收UART将串行数据转换回并行数据，并将其传输到接收端的数据总线：

UART的优缺点

没有哪种通信协议是完美的，但是UART非常擅长于它们的工作。以下是一些优缺点，可帮助您确定它们是否符合您的项目需求：

优点

• 仅使用两根传输线

• 无需时钟信号

• 具有奇偶校验位以允许进行错误检查

• 只要双方都设置好数据包的结构，即可改变其数据包结构

• 有完整的文档且是可广泛使用的方法

缺点

• 数据帧的大小最大为9位

• 不支持多个从属系统或多个主系统

• 每个UART的波特率必须在彼此的10%之内

继续阅读本系列的第3部分“I2C通信协议基础”，了解电子设备进行通信的另一种方式。或者，如果您还没有阅读第1部分，请查看SPI通信协议的基础知识。

系列回顾：

收藏 | 电子通信协议之SPI通信协议篇

参考原文：http://www.circuitbasics.com/basics-uart-communication/

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