UART通信协议的工作原理

什么是UART？

通用异步接收器/发射器，通常称为UART，是一种串行，异步，全双工通信协议，广泛用于嵌入式领域。

UART连接

UART通道有两条数据线。每个设备上都有一个 RX 引脚和一个 TX 引脚（RX 用于接收，TX 用于发送）。每个设备的 RX 引脚连接到另一个设备的 TX 引脚。请注意，没有共享时钟线！这是通用异步接收器发送方的“异步”方面。

作为一种异步串行通信协议，UART的工作原理是逐位传输传输数据的每个二进制位。在UART通信协议中，当信号线上的状态为高电平时，表示“1”，当信号线上的状态为低电平时，表示“0”。

例如，当使用UART通信协议传输一个字节的数据时，在信号线上产生八种高电平和低电平组合。

串行通信是指利用一条传输线逐位顺序传输数据，或者两条信号线可以形成全双工通信，如RS232。特点是通信线路简单，使用简单的电缆即可实现通信，成本降低，适合远距离通信的应用，但传输速度慢。

异步通信以一个字符作为传输单元。通信中两个字符之间的时间间隔不是固定的，但同一字符中两个相邻位之间的时间间隔是固定的。一般来说，两个UART设备之间的通信不需要时钟线。此时，需要在两个UART设备上指定相同的传输速率，以及空闲位，起始位，奇偶校验位和结束位，即遵循相同的协议。

数据传输速率以波特率表示，即每秒传输的位数。例如，如果数据传输速率为120个字符/秒，每个字符为10位（1个起始位，7个数据位，1个校验位，1个停止位），则其传输的波特率为10×120 = 1200个字符/秒= 1200波特。

数据通信格式

起始位

每次通信开始时，发送方都会发送一个逻辑“0”信号（VOL），指示传输字符的开始。由于总线在空闲时处于高电平，因此在开始通信时首先发送与空闲状态明显不同的信号，即VOL。

数据位

起始位之后是我们要传输的数据。数据位可以是 5、6、7、8、9 位等。形成一个字符（通常为 8 位）。如 ASCII 码（7 位）和扩展 BCD 码（8 位）。最低位先发送，最高位最后发送。使用低电平表示“0”，使用高电平表示“1”以完成数据位的传输。

奇偶校验位

将此位添加到数据位后，“1”位的位数应为偶数（偶数奇偶校验）或奇数（奇偶奇偶校验），以验证数据传输的正确性。校验位其实就是调整号，串口校验分为几种方式：

无奇偶校验

奇偶校验：如果数据位中“1”的数字是偶数，则奇偶校验位为“1”，如果“1”的数字为奇数，则奇偶校验位为“0”。

偶数奇偶校验：如果数据中“1”的数字是偶数，则奇偶校验位为“0”，如果是奇数，则奇偶校验位为“1”。

标记平价：校验位始终为 1（不常用）。

平价：奇偶校验位始终为 0（不常用）。

停止位

它是字符数据的结束标记。它可以是 1 位、1.5 位或 2 位 VOH。由于数据是在传输线上定时的，并且每个设备都有自己的时钟，因此在通信中两个设备之间很可能会出现小的不同步。因此，停止位不仅指示传输结束，而且还为计算机提供了校正时钟的机会。停止位越多，数据传输越稳定，但数据传输速度越慢。

协议层

在协议层中，指定了数据包的内容，由起始位、主数据、校验位和停止位组成。双方的数据包格式必须一致，才能正常发送和接收数据。

波特率

由于异步通信中没有时钟信号，因此两个通信设备需要就波特率达成一致。常见的有4800、9600、115200等。

通信的开始和停止信号：串行通信的数据包从开始信号开始，以停止信号结束。数据包的开始信号由逻辑0的数据位表示，数据包的停止信号可以用逻辑0的5.1、1、5.2或1个数据位表示，只要双方同意即可。

数据检查：在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对容易受到外界干扰，传输数据偏斜，可以在传输过程中增加校验位来解决这个问题。检查方法包括奇数检查、偶数检查、0 检查（空格）、1 检查（标记）和无奇偶校验。

奇偶校验要求有效数据和奇偶校验位中的“1”数为奇数。

例如，8 01101001 位有效数据，总共有 4 个“1”。如果校验位为“1”，则最后传输的数据将是 8 位有效数据加上 1 位校验位，总计 9 位。偶数奇偶校验和奇数奇偶校验要求正好相反。帧数据和奇偶校验位中“1”的数目要求为偶数，如数据帧：11001010。此时，数据框中“1”的数量为4，因此偶数奇偶校验位为“0”。0 check 表示无论有效数据的内容是什么，校验位始终为“0”，1 check 表示校验位始终为“1”。

错误状态

以下是使用 UART 时可能会遇到的一些错误:

成帧错误

UART状态和控制寄存器将指示各种状态条件，包括与传输相关的错误状态。了解此协议可以更轻松地理解错误状态。它们包括成帧错误，当接收器在预期的位时间看不到停止位时会发生。如果数据线在预期停止位时未处于预期的高电平状态（取决于设置 UART 的数据和奇偶校验位的数量），则 UART 将发出成帧错误的信号。

奇偶校验错误

仅当 UART 处于奇偶校验模式时，才会引发奇偶校验错误。在奇偶校验模式下，发送一个额外的位来保存所有传输的数据位的奇偶校验（偶数或奇数）。如果数据位出错（1 表示 0 或 0 表示 1），则奇偶校验位将出错，并且将引发指定错误的错误。

溢出错误

当接收方在下一个字符到达之前不处理（从输入缓冲区中删除字符）时，会发生溢出错误。

中断条件

中断条件不一定是错误。当接收器输入处于逻辑低电平状态超过一定持续时间（通常超过一个字符时间）时，就会发生这种情况。对于接收者来说，它看起来像一个带有成帧错误的全0字符。在 python 代码中，您可以看到重置是通过发送中断触发的。这会将数据线拉低足够长的时间，以便MCLR被拉低并复位电路板。

以下是UART，I2c和SPI之间的区别

您可能想知道，这三种通信中哪一种是最好的？是UART，I2C还是SPI？

没有“最佳”的通信外围设备，每个通信外设都有自己的优点和缺点。因此，用户应选择最适合其项目的通信外设。例如，如果您想要最快的通信外设，SPI 将是理想的选择。另一方面，如果用户想要连接多个设备而又不太复杂，I2C 将是理想的选择，因为它最多可以连接 127 台设备并且易于管理。

很多MUC控制器都支持UART协议，SPI协议和I2C协议，比如Seeeduino XIAO 控制器，用户可以根据自己的需求选择不同的接口设备。

写在最后

不同通信协议都有其优点和缺点，根据应用场景合理选择即可，这样我们的MUC控制器就可以控制各种各样的硬件设备或传感器设备了！