UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器)是一種常用的串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)或各種嵌入式設(shè)備之間的通信。本文將詳細(xì)介紹UART通信的基本原理、工作模式、波特率計(jì)算以及常見(jiàn)使用方式，幫助有一定單片機(jī)開(kāi)發(fā)能力的人群更好地理解和應(yīng)用UART通信。

一、UART通信的異步通信機(jī)制

UART通信是一種異步串行通信方式，其基本原理是通過(guò)數(shù)據(jù)線上傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)位。UART通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩部分組成，它們之間通過(guò)數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)，并通過(guò)發(fā)送電路將串行信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)線上。接收端則通過(guò)接收電路將數(shù)據(jù)線上的信號(hào)還原為并行信號(hào)，再通過(guò)解碼電路將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)位。

UART通信采用異步通信方式，即發(fā)送端和接收端之間通過(guò)數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在異步通信中，發(fā)送端和接收端不需要同時(shí)處于激活狀態(tài)，而是通過(guò)起始位和停止位來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始和結(jié)束。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)送端產(chǎn)生起始位后，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位;然后等待接收端的起始位，如果接收到起始位，則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)位;如果沒(méi)有接收到起始位，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀傳輸失敗。同樣，當(dāng)接收端產(chǎn)生停止位后，發(fā)送一個(gè)校驗(yàn)位;然后等待發(fā)送端的停止位，如果接收到停止位，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀傳輸成功。

二、UART的波特率

波特率表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)線路傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用bps(bits per second)表示。例如，如果波特率為9600bps，則每秒鐘可以傳輸9600個(gè)比特位的數(shù)據(jù)。

串口傳輸數(shù)據(jù)的波特率是單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生的，因此它和單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘存在算式關(guān)系。

波特率= (16 * 時(shí)鐘頻率) / (32 * 采樣時(shí)間) + (1 * 時(shí)鐘頻率) / (32 * 采樣時(shí)間) - (1 * 時(shí)鐘頻率) / (64 * 采樣時(shí)間)

其中，采樣時(shí)間指從上一次起始位到本次起始位之間的時(shí)間間隔。例如，如果采樣時(shí)間為10ns，則波特率為9600bps。

常見(jiàn)的波特率有2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200……它們都可是2400的整數(shù)倍，因此不同的波特率可以通過(guò)分頻器來(lái)產(chǎn)生?，F(xiàn)在的單片機(jī)雖然都有著不同的頻率，常見(jiàn)的有32MHz、48MHz和144MHz，通常它們都會(huì)有一個(gè)外部系統(tǒng)時(shí)鐘為單片機(jī)的外圍設(shè)備提供基礎(chǔ)時(shí)鐘頻率(如1MHz)，UART產(chǎn)生波特率也是從該時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。

需要注意的是，在實(shí)際使用中，時(shí)鐘頻率可能會(huì)受到一些因素的影響，如晶振漂移、電源噪聲等。因此，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性，建議在設(shè)計(jì)UART通信系統(tǒng)時(shí)使用外部晶振或時(shí)鐘發(fā)生器，并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

三、停止位和奇偶校驗(yàn)

在UART異步通信中，停止位用于表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。停止位可以是1個(gè)或2個(gè)比特位。當(dāng)停止位為1個(gè)比特位時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的后面都添加一個(gè)額外的時(shí)間間隔，以補(bǔ)償時(shí)鐘抖動(dòng)和其他因素引起的誤差。例如，如果波特率為9600bps，則每個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔為4ms，因此每個(gè)停止位的時(shí)間間隔為4ms / 8 = 0.5ms。

當(dāng)停止位為2個(gè)比特位時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的后面都添加兩個(gè)額外的時(shí)間間隔，即每個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔為4ms / (8 + 4) = 0.3125ms。這種模式適用于需要更高精度的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。

奇偶校驗(yàn)是一種常用的錯(cuò)誤檢測(cè)方法，可以檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤和丟失。在UART通信中，可以通過(guò)設(shè)置奇偶校驗(yàn)位來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。

需要注意的是，奇偶校驗(yàn)位只能檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤和丟失，而不能保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性。因此，在使用UART通信時(shí)，還需要采取其他措施來(lái)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。

四、UART的輪詢(xún)收發(fā)和中斷收發(fā)

前面我們講過(guò)，UART通信就是把一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)拆分成若干bit位，然后一個(gè)bit一個(gè)bit的發(fā)送。當(dāng)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)被送進(jìn)UART發(fā)送器后，這個(gè)字節(jié)被轉(zhuǎn)換成bit位，UART發(fā)送這個(gè)字節(jié)后還要產(chǎn)生停止位，此時(shí)UART發(fā)送器已經(jīng)空閑，可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。通常UART發(fā)送器發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空閑狀態(tài)，輪詢(xún)式發(fā)送就是等待這個(gè)空閑狀態(tài)并發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。UART接收也是如此，UART接收器收完一個(gè)字節(jié)并收到停止位信號(hào)時(shí)，就會(huì)向單片機(jī)的UART數(shù)據(jù)寄存器保存剛收到的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生一個(gè)收到標(biāo)志位，輪詢(xún)?cè)摌?biāo)志位就可以接收到該字節(jié)數(shù)據(jù)。

但是在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常不止UART收發(fā)應(yīng)用，這時(shí)就要用到中斷收發(fā)。通常單片機(jī)的UART收發(fā)都有RX收到中斷和TX完畢中斷。中斷發(fā)送時(shí)，UART發(fā)送器是空閑狀態(tài)，此時(shí)往發(fā)送器里面寫(xiě)入第一個(gè)字節(jié)，該字節(jié)傳輸完畢后產(chǎn)生TX完畢中斷，在TX完畢中斷的服務(wù)函數(shù)中再填入后續(xù)字節(jié)并產(chǎn)生下一個(gè)中斷，最后直到把需要傳輸?shù)淖止?jié)都傳完為止。中斷接收時(shí)，UART接收器收到字節(jié)后會(huì)產(chǎn)生RX收到中斷，在RX收到中斷服務(wù)函數(shù)中讀取收到的字節(jié)，每次中斷時(shí)都讀取收到的字節(jié)。

五、帶數(shù)據(jù)緩存的UART收發(fā)

在很多單片機(jī)系統(tǒng)中，都會(huì)提供UART Read和UART Write這樣的接口函數(shù)。一些高級(jí)的單片機(jī)甚至還有UART Read Callback和UART Write Callback這樣的回調(diào)函數(shù)來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)。通常很多單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力相對(duì)UART通信來(lái)說(shuō)要快得多，因此像采用上述接口函數(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)都使用了數(shù)據(jù)緩存來(lái)輔助UART收發(fā)。常見(jiàn)的UART收發(fā)方式有這幾種：

數(shù)據(jù)隊(duì)列(Queue)收發(fā)：

這種方式適合大多數(shù)單片機(jī)，只要有中斷就行。使用UART Write發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)并不是直接寫(xiě)入到UART發(fā)送器，而是放進(jìn)了一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)中。然后在UART TX發(fā)送完畢中斷服務(wù)函數(shù)中讀取環(huán)形緩沖區(qū)并把讀到的字節(jié)送入U(xiǎn)ART發(fā)送器，然后等待TX發(fā)送完畢中斷服務(wù)函數(shù)再次執(zhí)行時(shí)送入下一個(gè)字節(jié)，直到把環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送完為止。環(huán)形緩沖區(qū)通常有一個(gè)標(biāo)記頭和尾的變量，只要頭和尾的變量值不相等就說(shuō)明緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)。使用UART Read接收數(shù)據(jù)時(shí)，也不是直接從UART接收器中獲取數(shù)據(jù)，而是從環(huán)形緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)。UART RX收到中斷服務(wù)函數(shù)中把UART接收器收到的字節(jié)送進(jìn)環(huán)形緩沖區(qū)，單片機(jī)執(zhí)行UART Read時(shí)獲取到的數(shù)據(jù)是環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，這樣可以保證單片機(jī)程序不用一直等待UART接收器。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)的丟失。但是，如果Queue的大小設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的溢出。因此，我們需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)合理地設(shè)置Queue的大小。

我們今天要介紹的UART，全稱(chēng)Universal Asynchronous

Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器。使用TTL電平信號(hào)，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(lái)表示數(shù)據(jù)時(shí)：

TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)電平信號(hào)規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯“1”，0V等價(jià)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)10001110，它是從低位0開(kāi)始，一位一位的傳輸過(guò)去。

在 UART 通信中，兩個(gè) UART 直接相互通信。發(fā)送端將來(lái)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?，然后接收端將串行?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(gè)UART的發(fā)送引腳(Tx) 流向另一個(gè)UART的接收(Rx) 引腳：

UART通訊分類(lèi)：

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(shí)間，只用作發(fā)送或接收;

全雙工：UART在發(fā)送的同時(shí)，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(gè)位(bit)。

例如：設(shè)字符傳輸?shù)乃俾蕿?20字符/秒，而每1個(gè)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(shí)間：

T = 1/1200 = 0.833ms

UART要求發(fā)送與接收兩個(gè)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(diǎn)跨過(guò)多個(gè)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(jiàn)的波特率有9600、115200、128000、256000等。

通訊過(guò)程：

UART屬于異步傳輸數(shù)據(jù)，這意味著沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘。發(fā)送端將開(kāi)始和停止位添加到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀中，通過(guò)數(shù)據(jù)幀中定義的開(kāi)始位和結(jié)束位，接收端知道何時(shí)開(kāi)始讀取這些位。

每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含 1 個(gè)起始位、5 到 9 個(gè)數(shù)據(jù)位(取決于 UART的設(shè)置，如果有奇偶校驗(yàn)位是5到8，沒(méi)有則是5到9)、一個(gè)可選的奇偶校驗(yàn)位和 1 個(gè)或 2 個(gè)停止位：

起始位：UART 數(shù)據(jù)傳輸線在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)通常保持在高電平。要開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端UART先在一個(gè)時(shí)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(cè)到從高到低的電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，它開(kāi)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?shí)際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗(yàn)位，它可以是 5 位到 8 位。如果不使用奇偶校驗(yàn)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(yàn)：奇偶校驗(yàn)位是接收端UART 判斷數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否發(fā)生變化的一種方式。位會(huì)因電磁輻射、不匹配的波特率或長(zhǎng)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(gè)數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。當(dāng)奇偶校驗(yàn)位與數(shù)據(jù)匹配時(shí)，UART 知道傳輸沒(méi)有錯(cuò)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(gè)位的時(shí)間來(lái)表示整個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸已經(jīng)結(jié)束。

發(fā)送接收過(guò)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(yàn)位和停止位添加到數(shù)據(jù)幀：

3.整個(gè)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(duì)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(yàn)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：