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UART串口通信原理

2021-11-29

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  UART代表通用异步接收器/发射器。它不是像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的主要目的是发送和接收串行数据。

  UART最好的事情之一是它只使用两根线在设备之间传输数据。UART背后的原理很容易理解,但是如果您还没有阅读本系列的第一部分SPI通信协议的基础知识,那可能是一个很好的起点。

UART通信

  UART通信简介

  在UART通信中,两个UART直接相互通信。发送UART将来自控制设备(如CPU)的并行数据转换为串行形式,将其串行传输到接收UART,然后UART将串行数据转换回接收设备的并行数据。在两个UART之间传输数据只需要两根线。数据从发送 UART 的 Tx 引脚流向接收 UART 的 Rx 引脚:

  UART异步传输数据,这意味着没有时钟信号将发送UART的位输出同步到接收UART的位采样。发送UART不是时钟信号,而是将开始位和停止位添加到正在传输的数据包中。这些位定义了数据包的开始和结束,因此接收UART知道何时开始读取位。

  当接收UART检测到起始位时,它开始以称为波特率的特定频率读取传入位。波特率是数据传输速度的度量,以每秒比特数(bps)表示。两个 UART 必须以大约相同的波特率运行。在位的时序偏离太远之前,发送和接收 UART 之间的波特率只能相差约 10%。

  还必须将两个 UART 配置为传输和接收相同的数据包结构。

  UART如何运作

  将要传输数据的UART从数据总线接收数据。数据总线用于通过另一个设备(如CPU,内存或微控制器)将数据发送到UART。数据以并行形式从数据总线传输到传输UART。在发送UART从数据总线获取并行数据后,它会添加一个起始位、一个奇偶校验位和一个停止位,从而创建数据包。接下来,数据包在Tx引脚上逐位串行输出。接收UART在其Rx引脚上逐位读取数据包。然后,接收的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 个或 2 个停止位:

UART通信如何运作

  ● 起始位

  UART数据传输线在不传输数据时通常保持在高电压水平。为了开始数据传输,发送UART将传输线从高电平拉到低电平一个时钟周期。当接收UART检测到从高到低的电压转换时,它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

  ● 数据框

  数据框包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位,则长度可以是 5 位到 8 位。如果未使用奇偶校验位,则数据帧的长度可以为 9 位。在大多数情况下,数据首先以最低有效位发送。

  ● 平价

  奇偶校验描述数字的偶数或奇数。奇偶校验位是接收UART的一种方式,用于判断在传输过程中是否有任何数据发生了变化。位可以通过电磁辐射、不匹配的波特率或长距离数据传输来改变。接收的UART读取数据帧后,它会计算值为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(偶数奇偶校验),则数据帧中的 1 位应加起来为偶数。如果奇偶校验位为 1(奇数奇偶校验),则数据帧中的 1 位应加起来为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时,UART 知道传输没有错误。但是,如果奇偶校验位为 0,并且总数为奇数;或者奇偶校验位是1,而总数是偶数,UART知道数据帧中的位已经改变。

  ● 停止位

  为了发出数据包结束的信号,发送UART将数据传输线从低电压驱动到高压至少两个位持续时间。

  UART传输的步骤

  1. 发送UART从数据总线并行接收数据:

UART从数据总线并行接受数据

  2. 发送 UART 将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧中:

  

UART的数据帧

  3. 整个数据包从发送 UART 以串行方式发送到接收 UART。接收UART以预配置的波特率对数据线进行采样:

  

整个数据包的波特率对数据线进行采样

  4. 接收 UART 从数据帧中丢弃起始位、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的优缺点

  没有一个通信协议是完美的,但UART非常擅长它们所做的事情。以下是一些优缺点,可帮助您确定它们是否符合项目的需求:

  【优点】

  ● 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

  ● 数据包的结构可以更改,只要为它设置了两端

  ● 记录充分且广泛使用的方法

 

  【缺点】

  ● 数据帧的大小限制为最大 9 位

  ● 不支持多个从站或多个主系统

  ● 每个UART的波特率必须在彼此的10%以内

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