UART 串口通信还能玩出什么花样？

 

还记得打印机、鼠标和调制解调器曾经使用粗线和笨重连接器吗？那些必须拧进电脑里的连接器？这些设备很可能使用 UART 与电脑通信。虽然 USB 几乎完全取代了那些老式的线缆和连接器，但 UART 绝非过时之物。你会发现 UART 在许多 DIY 电子项目中被用于将 GPS 模块 、 蓝牙模块和 RFID 读卡器模块连接到你的 Raspberry Pi、Arduino 或其他微控制器。

 

UART 是通用异步收发器 (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 的缩写。它并非像 SPI 和 I2C 那样的通信协议，而是微控制器中的物理电路或独立 IC。UART 的主要用途是发送和接收串行数据。

 

UART 的优点之一是它仅使用两根线即可在设备之间传输数据。UART 的原理很容易理解，但如果您还没有阅读过本系列的第一部分 “SPI 通信协议基础知识” ，那么这部分或许是一个不错的入门指南。

 

UART 通信简介 

在 UART 通信中，两个 UART 直接相互通信。发送端 UART 将来自控制设备（例如 CPU）的并行数据转换为串行数据，并以串行方式传输到接收端 UART，接收端 UART 随后将串行数据转换回并行数据，以供接收设备使用。两个 UART 之间仅需两根线即可传输数据。数据从发送端 UART 的 Tx 引脚流向接收端 UART 的 Rx 引脚：

 

UART 异步传输数据，这意味着没有时钟信号来同步发送端 UART 的位输出和接收端 UART 的位采样。发送端 UART 不使用时钟信号，而是在正在传输的数据包中添加起始位和停止位。这些位定义了数据包的开始和结束，以便接收端 UART 知道何时开始读取位。

 

当接收 UART 检测到起始位时，它会开始以特定频率（称为波特率）读取输入位。 波特率是数据传输速度的度量，以比特/秒 (bps) 表示。 两个 UART 必须以大致相同的波特率工作。发送和接收 UART 之间的波特率只能相差约 10%，否则会导致位时序偏差过大。

 

两个 UART 还必须配置为发送和接收相同的数据包结构。

 

 

 

UART 的工作原理 

即将发送数据的 UART 从数据总线接收数据。数据总线用于将数据从其他设备（例如 CPU、内存或微控制器）发送到 UART。数据以并行形式从数据总线传输到发送端 UART。发送端 UART 从数据总线获取并行数据后，会添加起始位、奇偶校验位和停止位，从而创建数据包。接下来，数据包以串行方式逐位输出到 Tx 引脚。接收端 UART 在其 Rx 引脚逐位读取数据包。然后，接收端 UART 将数据转换回并行形式，并删除起始位、奇偶校验位和停止位。最后，接收端 UART 将数据包并行传输到接收端的数据总线：

 

UART 传输的数据被组织成数据包 。每个数据包包含 1 个起始位、5 到 9 个数据位（取决于 UART）、一个可选的奇偶校验位以及 1 或 2 个停止位：

 

起始位 

UART 数据传输线在不传输数据时通常保持高电平。为了开始传输数据，发送端 UART 会将传输线从高电平拉低一个时钟周期。当接收端 UART 检测到电压从高电平到低电平的转换时，它会开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

 

数据框 

数据帧包含实际传输的数据。如果使用奇偶校验位，数据帧的长度可以为 5 位到 8 位。如果不使用奇偶校验位，数据帧的长度可以为 9 位。大多数情况下，数据会先发送最低有效位。

 

奇偶校验位

 奇偶校验描述数字的奇偶性。奇偶校验位是接收 UART 判断数据在传输过程中是否发生变化的一种方式。位可能会因电磁辐射、波特率不匹配或长距离数据传输而发生变化。接收 UART 读取数据帧后，会计算值为 1 的位数，并检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为 0（偶校验），则数据帧中“1”的位数总数应为偶数。如果奇偶校验位为 1（奇校验），则数据帧中“1”的位数总数应为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART 便知道传输没有错误。但如果奇偶校验位为 0，且总数为奇数；或者奇偶校验位为 1，且总数为偶数，则 UART 便知道数据帧中的位已发生变化。

 

停止位 

为了发出数据包结束的信号，发送方 UART 将数据传输线从低电压驱动至高电压，持续至少两个位持续时间。

 

UART 发送步骤

1、发送端 UART 从数据总线并行接收数据：

 

2、发送方 UART 将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧：

3、整个数据包从发送端 UART 串行发送到接收端 UART。接收端 UART 以预先配置的波特率对数据线进行采样：

 

4、接收 UART 丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位：

5、接收 UART 将串行数据转换回并行，并将其传输到接收端的数据总线：

 

UART 的优点和缺点 

没有完美的通信协议，但 UART 在这方面表现相当出色。以下是一些优缺点，可帮助您确定它们是否适合您的项目需求：

 

优势 
 

仅使用两根电线 

无需时钟信号 

具有奇偶校验位以允许错误检查 

数据包的结构可以改变，只要双方都设置好 

有据可查且广泛使用的方法

 
 

缺点 
 

数据帧的大小限制为最大9位 

不支持多个从系统或多个主系统 

每个 UART 的波特率必须彼此相差 10% 以内 

 

继续阅读本系列的第三部分 “I2C 通信协议基础知识” ，了解电子设备的另一种通信方式。如果您还没有阅读过，可以先阅读第一部分 “SPI 通信协议基础知识” 。

 

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