討論使用UART通信協(xié)議的基本原則

UART，即通用異步接收器/發(fā)送器，是最常用的設備間通信協(xié)議之一，正確配置后，UART可以配合許多不同類型的涉及發(fā)送和接收串行數(shù)據的串行協(xié)議工作。在串行通信中，數(shù)據通過單條線路或導線逐位傳輸。在雙向通信中，我們使用兩根導線來進行連續(xù)的串行數(shù)據傳輸。根據應用和系統(tǒng)要求，串行通信需要的電路和導線較少，可降低實現(xiàn)成本。

本文將UART用作硬件通信協(xié)議應遵循的標準步驟進行說明，討論使用UART的基本原則，重點是數(shù)據包傳輸、標準幀協(xié)議和定制幀協(xié)議；定制幀協(xié)議將是安全合規(guī)性方面的增值特性，尤其是在代碼開發(fā)期間。在產品開發(fā)過程中，本文還將分享一些基本步驟，以檢查數(shù)據表的實際使用，目標是幫助更好地理解和遵循UART標準，以便最大程度地發(fā)揮其能力和應用優(yōu)勢，特別是在開發(fā)新產品時。

通信協(xié)議

通信協(xié)議在組織設備之間的通信時扮演著重要角色。它基于系統(tǒng)要求而以不同方式進行設計。此類協(xié)議具有特定的規(guī)則，為實現(xiàn)成功通信，不同設備都遵循該規(guī)則。 根據定義，UART是一種硬件通信協(xié)議，以可配置的速度使用異步串行通信。

異步意味著沒有時鐘信號來同步從發(fā)送設備進入接收端的輸出位。 嵌入式系統(tǒng)、微控制器和計算機大多將UART作為設備間硬件通信協(xié)議的一種形式。在可用通信協(xié)議中，UART的發(fā)送和接收端僅使用兩條線。盡管它是一種廣泛使用的硬件通信方法，但它并非在所有時候都是完全優(yōu)化的。在微控制器內部使用UART模塊時，通常會忽略幀協(xié)議的適當實現(xiàn)。

接口

圖1.兩個UART彼此直接通信

每個UART設備的兩個信號分別命名為：

發(fā)送器(Tx)

接收器(Rx)

每個設備的發(fā)送器和接收器線的主要作用是用于串行通信的串行數(shù)據的發(fā)送和接收。

圖2.帶數(shù)據總線的UART 發(fā)送UART連接到以并行形式發(fā)送數(shù)據的控制數(shù)據總線。然后，數(shù)據將在傳輸線路（導線）上一位一位地串行傳輸?shù)浇邮誙ART。反過來，對于接收設備，串行數(shù)據會被轉換為并行數(shù)據。

UART線用作發(fā)送和接收數(shù)據的通信介質。請注意，UART設備具有專門用于發(fā)送或接收的發(fā)送和接收引腳。對于UART和大多數(shù)串行通信，發(fā)送和接收設備需要將波特率設置為相同的值。波特率是指信息傳輸?shù)叫诺赖乃俾?。對于串?a target="_blank">端口，設定的波特率將用作每秒傳輸?shù)淖畲笪粩?shù)。表1總結了關于UART必須了解的幾點。

表1.UART概要

UART接口不使用時鐘信號來同步發(fā)送器和接收器設備，而是以異步方式傳輸數(shù)據。發(fā)送器根據其時鐘信號生成的位流取代了時鐘信號，接收器使用其內部時鐘信號對輸入數(shù)據進行采樣。同步點是通過兩個設備的相同波特率來管理的。如果波特率不同，發(fā)送和接收數(shù)據的時序可能會受影響，導致數(shù)據處理過程出現(xiàn)不一致。允許的波特率差異最大值為10%，超過此值，位的時序就會脫節(jié)。

數(shù)據傳輸

在UART中，傳輸模式為數(shù)據包形式。連接發(fā)送器和接收器的機制包括串行數(shù)據包的創(chuàng)建和物理硬件線路的控制。數(shù)據包由起始位、數(shù)據幀、奇偶校驗位和停止位組成。

圖3.UART數(shù)據包

起始位

當不傳輸數(shù)據時，UART數(shù)據傳輸線通常保持高電壓電平。若要開始數(shù)據傳輸，發(fā)送UART會將傳輸線從高電平拉到低電平并保持1個時鐘周期。當接收UART檢測到高到低電壓躍遷時，便開始以波特率對應的頻率讀取數(shù)據幀中的位。

圖4.起始位

數(shù)據幀

數(shù)據幀包含所傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據。如果使用奇偶校驗位，數(shù)據幀長度可以是5位到8位。如果不使用奇偶校驗位，數(shù)據幀長度可以是9位。在大多數(shù)情況下，數(shù)據以最低有效位優(yōu)先方式發(fā)送。

圖5.數(shù)據幀

奇偶校驗

奇偶性描述數(shù)字是偶數(shù)還是奇數(shù)。通過奇偶校驗位，接收UART判斷傳輸期間是否有數(shù)據發(fā)生改變。電磁輻射、不一致的波特率或長距離數(shù)據傳輸都可能改變數(shù)據位。

接收UART讀取數(shù)據幀后，將計數(shù)值為1的位，檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)。如果奇偶校驗位為0（偶數(shù)奇偶校驗），則數(shù)據幀中的1或邏輯高位總計應為偶數(shù)。如果奇偶校驗位為1（奇數(shù)奇偶校驗），則數(shù)據幀中的1或邏輯高位總計應為奇數(shù)。

當奇偶校驗位與數(shù)據匹配時，UART認為傳輸未出錯。但是，如果奇偶校驗位為0，而總和為奇數(shù)，或者奇偶校驗位為1，而總和為偶數(shù)，則UART認為數(shù)據幀中的位已改變。

圖6.奇偶校驗位

停止位

為了表示數(shù)據包結束，發(fā)送UART將數(shù)據傳輸線從低電壓驅動到高電壓并保持1到2位時間。

圖7.停止位

UART傳輸步驟

第一步：發(fā)送UART從數(shù)據總線并行接收數(shù)據。

圖8.數(shù)據總線至發(fā)送UART

第二步：發(fā)送UART將起始位、奇偶校驗位和停止位添加到數(shù)據幀。

圖9.Tx側的UART數(shù)據幀

第三步：從起始位到結束位，整個數(shù)據包以串行方式從發(fā)送UART送至接收UART。接收UART以預配置的波特率對數(shù)據線進行采樣。

圖10.UART傳輸

第四步：接收UART丟棄數(shù)據幀中的起始位、奇偶校驗位和停止位。

圖11.Rx側的UART數(shù)據幀

第五步：接收UART將串行數(shù)據轉換回并行數(shù)據，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據總線。

圖12.接收UART至數(shù)據總線

幀協(xié)議

UART的一個關鍵特性是幀協(xié)議的實現(xiàn)，但還沒有被充分使用。其主要用途和重要性是為每臺設備提供安全和保護方面的增值。例如，當兩個設備使用相同的UART幀協(xié)議時，有可能在沒有檢查配置的情況下連接到同一個UART，設備會連接到不同的引腳，這可能導致系統(tǒng)故障。

另一方面，實現(xiàn)幀協(xié)議可確保安全性，因為需要根據設計幀協(xié)議解析接收到的信息。每個幀協(xié)議都經過專門設計，以確保唯一性和安全性。

在設計幀協(xié)議時，設計人員可以給不同設備設置期望的報頭和報尾（包括CRC）。在圖13中，2個字節(jié)被設置為報頭的一部分。

圖13.UART幀協(xié)議示例 根據示例，您可以給您的設備設置獨有的報頭、報尾和CRC。

報頭1（H1為0xAB）和報頭2（H2為0xCD）

報頭是確定您是否在與正確的設備通信的唯一標識符。

命令(CMD)選擇

命令將取決于用于創(chuàng)建兩個設備之間通信的命令列表。

每個命令的數(shù)據長度(DL)

數(shù)據長度將取決于所選的命令。您可以根據所選的命令來使數(shù)據長度最大化，因此它會隨選擇而變化。在這種情況下，數(shù)據長度可以調整。

數(shù)據n（可變數(shù)據）

數(shù)據是要從設備傳輸?shù)挠行лd荷。

報尾1（T1為0xE1）和報尾2（T2為0xE2）

報尾是在傳輸結束后添加的數(shù)據。就像報頭一樣，報尾也可以唯一標識符。

循環(huán)冗余校驗（CRC公式）

循環(huán)冗余校驗公式是一種附加的錯誤檢測模式，用于檢測原始數(shù)據是否發(fā)生意外更改。發(fā)送設備的CRC值必須始終等于接收器端的CRC計算值。

建議為每個UART設備實現(xiàn)幀協(xié)議來增加安全性，幀協(xié)議要求發(fā)送和接收設備使用相同的配置。

UART工作原理

使用任何硬件通信協(xié)議時，首先必須檢查數(shù)據手冊和硬件參考手冊。以下是要遵循的步驟：

第一步：檢查設備的數(shù)據手冊接口。

圖14.微控制器數(shù)據手冊

第二步：在存儲器映射下面檢查UART地址。

圖15.微控制器存儲器映射

第三步：檢查UART端口的具體信息，例如工作模式、數(shù)據位長度、奇偶校驗位和停止位。示例MCU提供了一個全雙工UART端口，其與PC標準UART完全兼容。UART端口提供一個簡化的UART接口用于連接其他外設或主機，支持全雙工、DMA和異步串行數(shù)據傳輸。UART端口支持5到8個數(shù)據位，以及無校驗、偶校驗和奇校驗。幀由一個半或兩個停止位終止。

第四步：檢查UART操作的詳細信息，包括波特率計算。波特率通過以下示例公式進行配置。此公式隨微控制器而異。

數(shù)據手冊中的UART端口詳細信息示例：

5到8個數(shù)據位

1、2或1 ?個停止位

無、偶數(shù)或奇數(shù)奇偶校驗

可編程過采樣率為4、8、16、32

波特率 = PCLK/((M + N/2048) × 2OSR + 2× DIV

其中： OSR（過采樣率） UART_LCR2.OSR = 0至3 DIV（波特率分頻器） UART_DIV = 1至65535 M（DIVM小數(shù)波特率M） UART_FBR.DIVM = 1至3 N（DIVM小數(shù)波特率M） UART_FBR.DIVN = 0至2047

第五步：對于波特率，務必檢查要使用的外設時鐘(PCLK)。此示例有26 MHz PCLK和16 MHz PCLK可用。請注意，OSR、DIV、DIVM和DIVN隨設備而異。

表2.基于26 MHz PCLK的波特率示例

表3.基于16 MHz PCLK的波特率示例 第六步：下一部分是檢查UART配置的詳細寄存器。了解計算波特率時的參數(shù)，例如UART_LCR2、UART_DIV和UART_FBR。表4要列出所涉及的具體寄存器。

表4.UART寄存器描述 第七步：檢查每個寄存器下的詳細信息，代入值以計算波特率，然后開始實現(xiàn)UART。

應用范例

當開發(fā)穩(wěn)健的、質量驅動的產品時，熟悉UART通信協(xié)議非常有優(yōu)勢。知道如何僅使用兩條線發(fā)送數(shù)據，以及如何傳輸整個數(shù)據包或有效載荷，將有助于確保數(shù)據正確無誤地發(fā)送和接收。UART是最常用的硬件通信協(xié)議，具備相關知識可以在將來的設計中實現(xiàn)設計靈活性。

您可以將UART用于許多應用，例如：

調試：在開發(fā)過程中及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)錯誤很重要。添加UART便可從系統(tǒng)捕捉消息，幫助排除錯誤。

制造功能級追蹤：日志在制造業(yè)中非常重要。通過日志可確定功能，提醒操作員生產線上正在發(fā)生的事情。

客戶更新：軟件更新非常重要。完整的動態(tài)硬件和支持更新的軟件對于擁有完整系統(tǒng)至關重要。

測試/驗證：在產品離開制造過程之前進行驗證有助于為客戶提供最優(yōu)質的產品。

審核編輯：劉清