UART-通用异步收发器

UART-通用异步收发器

       数字系统是以0或1的形式分享和存储信息。不同结构的设备相互访问，需要一种通用的数据交换方法。这就是各种通信协议发挥作用的地方，其中之一就是通用异步收发器（UART）。它是嵌入式电子设备中使用最广泛的通信协议。它是一种串行，全双工，异步，板对板的通信协议。在弄懂协议之前，先明确几个关键词。

l  串行通信：对于串行通信，只需要一个或两个连接来发送或接收数据。数据的发送和接收每次一位，顺序完成。

l  并行通信：对于并行通信，有多条线路用于数据传送。线路的数量被称为总线的宽度。下图可以看出是一个8位总线，一次传送8位数据。

 

 

图1. 并行通信和串行通信对比

 

l  异步通信：在异步通信中，设备不共享一个公共时钟来同步数据传输。相反，它们同意相同的传输速率，在设备内部配置时钟来捕获或传输数据。

l  全双工通信：在全双工通信中，存在单独的线路同时进行发送和接收。

如下图所示，设备同时发送和接收数据。

 

 

图2 全双工通信

 

       现在，我们已经了解了一些术语和基本概念，可以继续去弄明白UART是如何工作的。

 

UART说明

       UART作为全双工异步通信协议，发送和接收数据可以同时发生。因此，要区分发送和接收数据的引脚。TX发送数据，RX接收数据。设备之间的发送和接送引脚交叉连接，如下图所示。

 

 

图3. UART全双工通信连接

 

       注意接地。完成硬件连接后，接下来搞清楚UART的数据包。

 

 

 

图4 UART数据帧

 

1.    同步位

起始位1位，结束位1~2位。它们表示数据包的开始和结束。当开始传输时，线路被拉低。表示开始启动传输，然后又被拉高，表示传输结束。当线路是高电平状态时，表示空闲或没有数据在传输。起始位是1位，结束位可以是1位，也可以是2位。对于某些微处理器，比如STM32F4系列，结束位也可以配置成1.5位。

 

 

图5 UART数据包的启动和结束位

 

2.    数据位

数据帧的这部分是核心，它携带着要发送给接收端的数据。这个块的长度5位到9位不等，取决于设备间的协议配置。标准的数据大小是8位或1个字节。根据UART标准，该协议遵循小端顺序，数据发送从最低有效位到最高有效位，也可以配置成大端序，从最高有效位到最低有效位。

 

 

图6 UART大端序传送

 

3.    检验位

UART带有错位检查机制，检查接收到的数据完整性。数据是按字节发送的，错误检查也是逐个字节完成。它使用校验位来做这一点，它在数据位后，发送错误码。校验位有两种模式：奇校验或偶校验。

 

奇校验：为了检测数据完整性，程序将检测数据中1的数量，包含校验位。发送器执行以下步骤为数据帧生成校验位。

1. 计算数据位里1的个数。
2. 如果1的个数是奇数，就把校验位设置为0，反之，设置为1.这样就保证了数据位+校验位里整体1的个数是奇数。
3. 接收端收到数据后，检查1的个数，如果是奇数个，就是有效的数据，反之，就是无效的数据。

 

偶校验：与奇校验类似，检查1的个数是不是偶数个（包含校验位），接收端也同样检查。

 

       这是一种简单的错误检查机制，但是如果多位数据错误，就无法判断接收的数据哪一位是否出错。

       接下来我们研究UART在没有公共时钟的情况下如何同步传输数据，它是靠波特率配置来实现。

 

4.    波特率

它指定数据发送的速度，单位是bps（比特/秒）。在UART通信时，设备使用同一个波特率。标准的波特率有9600，38400，115200，921600等。对波特率取倒数，就能得到发送1位数据需要的时间。比如：

 

 

 

       因此，使用9600的波特率，传输1位的时间时104.16微秒。对于硬件，线路将被设备拉高或拉低104.16微秒。

        现在，你几乎了解了所有实现协议需要的内容。这些知识在调试程序时非常重要。既然已经完成理论部分，接下来开始实践吧。

 

UART实践

       为了方便，我们使用Arduino UNO与PC通信。串口通信显示“Hello World”。计算机没有用于UART的外部端口，通信用USB到UART转换器。如果没有相关硬件，也可以使用在线的仿真（(Wokwi, Tinkercad）。

       根据Arduino的文档，串口0用来与PC通信，

 

 

图7 Auduino上的串口0

 

       首先，需要设定波特率。这里使用9600bps。默认情况下，Auduino UNO使用8-N-1数据帧，8位数据，没有校验位，1位停止位。下面的代码执行发送“Hello World”到PC。

void setup() {

   // the baud rate is set to 9600 bps  

   Serial.begin(9600);                 

}

void loop() {

   // a string is transmitted over Serial0

   Serial.println("Hello World");  

   // standby for 50 ms

   delay(50);

}

 

将上述代码复制到Arduino IDE，在Tools里选择板和端口，把代码上传到板，就可以看到显示的字符。

 

 

图8-1 选择板

 

 

 

图8-2 选择端口

 

 

 

图8-3 串口监视器输出

 

 

 

图8-4 Arduino UNO和PC连接

 

       如果你在屏幕上看到了“Hello Wworld”，表示操作成功，反之，再试一次。

       我们接下来一步步分析，字符串是如何传送到串行监视器的。在Arduino后台，把字符串“Hello World”后面加上换行符\n，所以要传送的数据实际是12个，并转换成ASCII形式，因此，需要12个数据帧来完成这个字符串的传送。

       第一个发送的字符是H，ASCII是104.对应的二进制值是01101000.这里的0和1表示UART数据帧的数据位。起始的0和结尾的1表示数据帧的开始和结束。

 

 

图9 UART传送’H’的数据帧

 

       H传送完成后，接着传送e，依此类推，一个接一个传送。

       下面是所有字符传送的演示。

 

 

图10 字符串发送演示

 

       现在，明白了为何UART会成为通信协议的首先，因为简单，易于设置。但是这种简单也是有代价的：

1. 它只支持两个设备间的通信，不能在同一条线上有多个设备。
2. UART虽然支持较快的波特率，比如921000，但它相对其他协议，比如SPI，I2C，还是慢一些。

 

即便有这些缺点，UART还是传感器和智能电机驱动厂商的首先，因为接口简单，不用考虑用户使用的微控制器的结构。比如激光雷达测距，通过UART读取测得的距离数据。3D打印机的串口有特殊的数据包，用于执行安装调试；同样，我们也可以用简单而健壮的通信协议比如UART去构建复杂的工具和接口。

 

参考：https://www.circuitbread.com/tutorials/uart-universal-asynchronous-receiver-transmitter