串口通信（Serial Communication）是一种逐位（bit-by-bit） 在单根数据线上顺序传输数据的通信方式。其核心原理可简要概括如下：

核心原理：异步串行传输

串口通信通常采用 异步 模式（UART协议），即通信双方无需共享时钟信号，而是依靠预先约定的参数实现同步。

关键要素分析：

1. 数据拆分与重组

   • 发送端：将原始数据（如1个字节，8位）拆解成单个比特位。
   • 接收端：按顺序将收到的比特位重新组装成完整数据。

2. 起始位与停止位（帧同步）

   • 起始位（1 bit）：发送方发送低电平（0）信号，通知接收方“数据开始传输”，启动接收时钟同步。
   • 停止位（1~2 bit）：发送高电平（1）信号，标志一帧数据结束，并为下一帧提供缓冲时间。

3. 波特率（Baud Rate）

   • 定义每秒传输的比特数（bps，如9600 bps）。
   • 关键作用：双方需设置相同波特率，确保发送/接收比特的速度一致。若速率不匹配，导致数据错乱。

4. 数据位（5~8 bit）

   • 有效数据长度，通常为8位（1字节），可配置为5~9位。

5. 校验位（可选）

   • 奇偶校验（1 bit）：检测传输错误。
     • 奇校验：数据位+校验位中1的总数为奇数；
     • 偶校验：数据位+校验位中1的总数为偶数。

工作流程：

1. 发送端：

   • 发送起始位（低电平）。
   • 按约定波特率逐位发送数据位（LSB优先或MSB优先）。
   • 发送校验位（如有）。
   • 发送停止位（高电平）。

2. 接收端：

   • 检测到起始位下降沿，启动内部时钟同步。
   • 按波特率采样数据线，读取数据位。
   • 检查校验位（若启用）和停止位，确认帧完整性。

物理层标准（电平转换）

• TTL电平：单片机常用0V表示0，+3.3V/5V表示1（易受干扰，短距离通信）。
• RS-232：工业标准，使用负逻辑（-3V~-15V为1，+3V~+15V为0），抗干扰强，支持长距离传输（需电平转换芯片如MAX232）。

典型帧结构示例

[起始位0] [D0][D1][D2][D3][D4][D5][D6][D7] [奇偶校验位] [停止位1]

如无校验位，则一帧共10位（1起始+8数据+1停止）。

优势与局限

• 优势：
  • 硬件简单（仅需2根线：TX/RXD），成本低。
  • 适用于低速设备（传感器、工控设备等）。
• 局限：
  • 带宽较低（现代高速场景被USB/Ethernet取代）。
  • 异步传输效率低于同步通信。

总结

串口通信的核心在于通过起始位/停止位实现帧同步，依赖约定波特率控制时序，在单根数据线上完成数据的串行传输。其简单可靠的特性使其在嵌入式系统、工业控制等领域持续广泛应用。