uart接口的时序分析

接口/总线/驱动

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描述

  UART传输时序

  UART用一条传输线将数据一位位地顺序传送,以字符为传输单位

  通信中两个字符间的时间间隔多少是不固定的, 然而在同一个字符中的两个相邻位间的时间间隔是固定的

  数据传送速率用波特率来表示, 指单位时间内载波参数变化的次数, 或每秒钟传送的二进制位数

  如每秒钟传送240个字符, 而每个字符包含10位(1个起始位, 1个停止位, 8个数据位), 这时的波特率为2400Bd

  传输时序如下图

  uart

  在UART中,信号线上共有两种状态, 分别用逻辑1(高电平)和逻辑0(低电平)来区分

  在空闲时, 数据线应该保持在逻辑高电平状态

  其中各位的意义如下

  起始位(Start Bit): 先发出一个逻辑0信号, 表示传输字符的开始

  数据位(Data Bits): 可以是5~8位逻辑0或1. 如ASCII码(7位), 扩展BCD码(8位)小端传输

  校验位(Parity Bit): 数据位加上这一位后, 使得1的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)

  停止位(Stop Bit): 它是一个字符数据的结束标志。 可以是1位、1.5位、2位的高电平

  空闲位: 处于逻辑1状态, 表示当前线路上没有资料传送

  uart接口的时序分析

  1、串行数据的格式

  异步串行数据的一般格式是:起始位+数据位+停止位,其中起始位1 位,数据位可以是5、6、7、8位,停止位可以是1、1.5、2位。

  起始位是一个值为0的位,所以对于正逻辑的TTL电平,起始位是一位时间的低电平;停止位是值为1的位,所以对于正逻辑的TTL电平,停止位是高电平。线路路空闲或者数据传输结束,对于正逻辑的TTL电平,线路总是1。对于负逻辑(如RS-232电平)则相反。

  例如,对于16进制数据55aaH,当采用8位数据位、1位停止位传输时,它在信号线上的波形如图1(TTL电平)和图2(RS-232电平)所示。 (先传第一个字节55,再传第二个字节aa,每个字节都是从低位向高位逐位传输)

  uart

  图1 TTL电平的串行数据帧格式(55aah)

  uart

  图2 RS-232电平的串行数据帧格式(55aah)

  2、根据波形图计算波特率

  如图3是图1在示波器中的显示示意,其中灰色线是示波器的时间分度线,此时假设是200us/格。

  uart

  图3 波特率计算示意图

  可以看了,第一个字节的10位(1位起始位,8位数据位和1位停止位)共占约1.05ms,这样可计算出其波特率约为:

  10bit / 1.05ms X 1000 ≈ 9600 bit/s

  如果上图中的时间轴是100us/格,同样可以计算出波特率应是19200bit/s。

  当通讯不正常,又能观察到波形时,就可根据上述方法,从波形图计算一下波特率是否正确。

  3、根据波形图判断RS-485收发数据的正确与否

  RS-485是一种半双工的串行通讯方式(RS-422为全双工),485电平芯片所以要正确接收和发送数据,必需保证控制信号和数据的同步,否则要么发送数据丢失,要么接收数据可能丢失。RS-485发送数据时的正确时序如图4所示。

  uart

  图4 RS-485的正确发送数据时序

  在图4中,发送控制信号的宽度基本与数据信号的宽度一致,所以能保证发送数据的正确和发送后及时转为接收。

  图5 和图6 分别是控制信号太短和控制信号太长的情况。

  uart

  图5 RS-485控制信号太短时的时序

  uart

  图6 RS-485控制信号太长时的时序

  在图5中,由于控制信号关闭过早,则第二个字节的后两位将发送错误;在图6中,由于控制信号关闭过迟,使485芯片在发送数据后,不能及时转到接收状态,此时总线若有数据过来,则本单元将不能正确接收。

  总结:只要掌握上述波形分析方法,任何异步串行数据的接收和发送问题,基本都可以得到解决。

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