UART通信協(xié)議的工作原理

什么是UART？

通用異步接收器/發(fā)射器，通常稱為UART，是一種串行，異步，全雙工通信協(xié)議，廣泛用于嵌入式領(lǐng)域。

UART連接

UART通道有兩條數(shù)據(jù)線。每個(gè)設(shè)備上都有一個(gè) RX 引腳和一個(gè) TX 引腳（RX 用于接收，TX 用于發(fā)送）。每個(gè)設(shè)備的 RX 引腳連接到另一個(gè)設(shè)備的 TX 引腳。請(qǐng)注意，沒有共享時(shí)鐘線！這是通用異步接收器發(fā)送方的“異步”方面。

作為一種異步串行通信協(xié)議，UART的工作原理是逐位傳輸傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)二進(jìn)制位。在UART通信協(xié)議中，當(dāng)信號(hào)線上的狀態(tài)為高電平時(shí)，表示“1”，當(dāng)信號(hào)線上的狀態(tài)為低電平時(shí)，表示“0”。

例如，當(dāng)使用UART通信協(xié)議傳輸一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，在信號(hào)線上產(chǎn)生八種高電平和低電平組合。

串行通信是指利用一條傳輸線逐位順序傳輸數(shù)據(jù)，或者兩條信號(hào)線可以形成全雙工通信，如RS232。特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)單的電纜即可實(shí)現(xiàn)通信，成本降低，適合遠(yuǎn)距離通信的應(yīng)用，但傳輸速度慢。

異步通信以一個(gè)字符作為傳輸單元。通信中兩個(gè)字符之間的時(shí)間間隔不是固定的，但同一字符中兩個(gè)相鄰位之間的時(shí)間間隔是固定的。一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)UART設(shè)備之間的通信不需要時(shí)鐘線。此時(shí)，需要在兩個(gè)UART設(shè)備上指定相同的傳輸速率，以及空閑位，起始位，奇偶校驗(yàn)位和結(jié)束位，即遵循相同的協(xié)議。

數(shù)據(jù)傳輸速率以波特率表示，即每秒傳輸?shù)奈粩?shù)。例如，如果數(shù)據(jù)傳輸速率為120個(gè)字符/秒，每個(gè)字符為10位（1個(gè)起始位，7個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)校驗(yàn)位，1個(gè)停止位），則其傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?0×120 = 1200個(gè)字符/秒= 1200波特。

數(shù)據(jù)通信格式

起始位

每次通信開始時(shí)，發(fā)送方都會(huì)發(fā)送一個(gè)邏輯“0”信號(hào)（VOL），指示傳輸字符的開始。由于總線在空閑時(shí)處于高電平，因此在開始通信時(shí)首先發(fā)送與空閑狀態(tài)明顯不同的信號(hào)，即VOL。

數(shù)據(jù)位

起始位之后是我們要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位可以是 5、6、7、8、9 位等。形成一個(gè)字符（通常為 8 位）。如 ASCII 碼（7 位）和擴(kuò)展 BCD 碼（8 位）。最低位先發(fā)送，最高位最后發(fā)送。使用低電平表示“0”，使用高電平表示“1”以完成數(shù)據(jù)位的傳輸。

奇偶校驗(yàn)位

將此位添加到數(shù)據(jù)位后，“1”位的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶數(shù)奇偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇偶奇偶校驗(yàn)），以驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。校驗(yàn)位其實(shí)就是調(diào)整號(hào)，串口校驗(yàn)分為幾種方式：

無(wú)奇偶校驗(yàn)

奇偶校驗(yàn)：如果數(shù)據(jù)位中“1”的數(shù)字是偶數(shù)，則奇偶校驗(yàn)位為“1”，如果“1”的數(shù)字為奇數(shù)，則奇偶校驗(yàn)位為“0”。

偶數(shù)奇偶校驗(yàn)：如果數(shù)據(jù)中“1”的數(shù)字是偶數(shù)，則奇偶校驗(yàn)位為“0”，如果是奇數(shù)，則奇偶校驗(yàn)位為“1”。

標(biāo)記平價(jià)：校驗(yàn)位始終為 1（不常用）。

平價(jià)：奇偶校驗(yàn)位始終為 0（不常用）。

停止位

它是字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)記。它可以是 1 位、1.5 位或 2 位 VOH。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每個(gè)設(shè)備都有自己的時(shí)鐘，因此在通信中兩個(gè)設(shè)備之間很可能會(huì)出現(xiàn)小的不同步。因此，停止位不僅指示傳輸結(jié)束，而且還為計(jì)算機(jī)提供了校正時(shí)鐘的機(jī)會(huì)。停止位越多，數(shù)據(jù)傳輸越穩(wěn)定，但數(shù)據(jù)傳輸速度越慢。

協(xié)議層

在協(xié)議層中，指定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，由起始位、主數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位和停止位組成。雙方的數(shù)據(jù)包格式必須一致，才能正常發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

波特率

由于異步通信中沒有時(shí)鐘信號(hào)，因此兩個(gè)通信設(shè)備需要就波特率達(dá)成一致。常見的有4800、9600、115200等。

通信的開始和停止信號(hào)：串行通信的數(shù)據(jù)包從開始信號(hào)開始，以停止信號(hào)結(jié)束。數(shù)據(jù)包的開始信號(hào)由邏輯0的數(shù)據(jù)位表示，數(shù)據(jù)包的停止信號(hào)可以用邏輯0的5.1、1、5.2或1個(gè)數(shù)據(jù)位表示，只要雙方同意即可。

數(shù)據(jù)檢查：在有效數(shù)據(jù)之后，有一個(gè)可選的數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。由于數(shù)據(jù)通信相對(duì)容易受到外界干擾，傳輸數(shù)據(jù)偏斜，可以在傳輸過程中增加校驗(yàn)位來(lái)解決這個(gè)問題。檢查方法包括奇數(shù)檢查、偶數(shù)檢查、0 檢查（空格）、1 檢查（標(biāo)記）和無(wú)奇偶校驗(yàn)。

奇偶校驗(yàn)要求有效數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位中的“1”數(shù)為奇數(shù)。

例如，8 01101001 位有效數(shù)據(jù)，總共有 4 個(gè)“1”。如果校驗(yàn)位為“1”，則最后傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將是 8 位有效數(shù)據(jù)加上 1 位校驗(yàn)位，總計(jì) 9 位。偶數(shù)奇偶校驗(yàn)和奇數(shù)奇偶校驗(yàn)要求正好相反。幀數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位中“1”的數(shù)目要求為偶數(shù)，如數(shù)據(jù)幀：11001010。此時(shí)，數(shù)據(jù)框中“1”的數(shù)量為4，因此偶數(shù)奇偶校驗(yàn)位為“0”。0 check 表示無(wú)論有效數(shù)據(jù)的內(nèi)容是什么，校驗(yàn)位始終為“0”，1 check 表示校驗(yàn)位始終為“1”。

錯(cuò)誤狀態(tài)

以下是使用 UART 時(shí)可能會(huì)遇到的一些錯(cuò)誤:

成幀錯(cuò)誤

UART狀態(tài)和控制寄存器將指示各種狀態(tài)條件，包括與傳輸相關(guān)的錯(cuò)誤狀態(tài)。了解此協(xié)議可以更輕松地理解錯(cuò)誤狀態(tài)。它們包括成幀錯(cuò)誤，當(dāng)接收器在預(yù)期的位時(shí)間看不到停止位時(shí)會(huì)發(fā)生。如果數(shù)據(jù)線在預(yù)期停止位時(shí)未處于預(yù)期的高電平狀態(tài)（取決于設(shè)置 UART 的數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位的數(shù)量），則 UART 將發(fā)出成幀錯(cuò)誤的信號(hào)。

奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤

僅當(dāng) UART 處于奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ綍r(shí)，才會(huì)引發(fā)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤。在奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，發(fā)送一個(gè)額外的位來(lái)保存所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的奇偶校驗(yàn)（偶數(shù)或奇數(shù)）。如果數(shù)據(jù)位出錯(cuò)（1 表示 0 或 0 表示 1），則奇偶校驗(yàn)位將出錯(cuò)，并且將引發(fā)指定錯(cuò)誤的錯(cuò)誤。

溢出錯(cuò)誤

當(dāng)接收方在下一個(gè)字符到達(dá)之前不處理（從輸入緩沖區(qū)中刪除字符）時(shí)，會(huì)發(fā)生溢出錯(cuò)誤。

中斷條件

中斷條件不一定是錯(cuò)誤。當(dāng)接收器輸入處于邏輯低電平狀態(tài)超過一定持續(xù)時(shí)間（通常超過一個(gè)字符時(shí)間）時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。對(duì)于接收者來(lái)說(shuō)，它看起來(lái)像一個(gè)帶有成幀錯(cuò)誤的全0字符。在 python 代碼中，您可以看到重置是通過發(fā)送中斷觸發(fā)的。這會(huì)將數(shù)據(jù)線拉低足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便MCLR被拉低并復(fù)位電路板。

以下是UART，I2c和SPI之間的區(qū)別

您可能想知道，這三種通信中哪一種是最好的？是UART，I2C還是SPI？

沒有“最佳”的通信外圍設(shè)備，每個(gè)通信外設(shè)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，用戶應(yīng)選擇最適合其項(xiàng)目的通信外設(shè)。例如，如果您想要最快的通信外設(shè)，SPI 將是理想的選擇。另一方面，如果用戶想要連接多個(gè)設(shè)備而又不太復(fù)雜，I2C 將是理想的選擇，因?yàn)樗疃嗫梢赃B接 127 臺(tái)設(shè)備并且易于管理。

很多MUC控制器都支持UART協(xié)議，SPI協(xié)議和I2C協(xié)議，比如Seeeduino XIAO 控制器，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇不同的接口設(shè)備。

寫在最后

不同通信協(xié)議都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景合理選擇即可，這樣我們的MUC控制器就可以控制各種各樣的硬件設(shè)備或傳感器設(shè)備了！