深度解析UART通信协议

 

1UART简介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种双向、串行、异步的通信总线，仅用一根数据接收线和一根数据发送线就能实现全双工通信。

典型的串口通信使用3根线完成，分别是：发送线（TX）、接收线（RX）和地线（GND），通信时必须将双方的TX和RX交叉连接并且GND相连才可正常通信，如下图所示：

2UART特性

UART接口不使用时钟信号来同步发送器和接收器设备，而是以异步方式传输数据。发送器根据其时钟信号生成的位流取代了时钟信号，接收器使用其内部时钟信号对输入数据进行采样。

同步点是通过两个设备的相同波特率（UART和大多数串行通信一样，发送和接收设备需要将波特率（波特率是指信息传输到信道的速率）设置为相同的值。对于串行端口，设定的波特率将用作每秒传输的最大位数）来管理的。

如果波特率不同，发送和接收数据的时序可能会受影响，导致数据处理过程出现不一致。允许的波特率差异最大值为10%，超过此值，位的时序就会脱节。

下总结了关于UART必须了解的几点：

导线数量	3根（TX、RX和GND）
速度	1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等
传输方式	全双工异步
最大主机数量	1
最大从机数量	1

3UART协议帧

在UART中，传输模式为数据包形式。数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。

3.1、起始位

当不传输数据时，UART数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送UART会将传输线从高电平拉到低电平并保持1个时钟周期。

当接收UART检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。

3.2、数据位

数据帧包含所传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是5位到8位。如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是9位。

在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。

3.3、奇偶校验位

奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位，接收UART判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。

校验位可以配置成 1 位偶校验或 1 位奇校验或无校验位。

接收UART读取数据帧后，将统计数值为1的位，检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0（偶数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为1（奇数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为奇数。

当奇偶校验位与数据匹配时，UART认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为0，而总和为奇数，或者奇偶校验位为1，而总和为偶数，则UART认为数据帧中的位已改变。

3.4、停止位

为了表示数据包结束，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1到2位时间。

4UART通信步骤

第1步：数据从数据总线到发送器。

 

第2步：发送UART将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧。

第3步：从起始位到结束位，整个数据包以串行方式从发送器送至接收器。

接收UART以预配置的波特率对数据线进行采样。

第4步：接收器丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位。

第5步：接收器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。

审核编辑：汤梓红