微控制器通信協(xié)議之UART技術(shù)

　　UART是一種通信協(xié)議，用于將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備發(fā)送到另一個(gè)設(shè)備。在流行的微控制器通信協(xié)議（UART、SPI和I2C）中，UART是最先開發(fā)的。

　　UART代表通用異步接收器和發(fā)送器。同步協(xié)議具有獨(dú)立的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線路，時(shí)鐘線路用于觸發(fā)數(shù)據(jù)線的讀?。ɑ?qū)懭耄?。UART是異步的，這意味著它只有數(shù)據(jù)線，沒有時(shí)鐘線。不使用時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)以特定的速度傳輸，接收器和發(fā)送器都需要設(shè)置為相同的速度（稱為波特率），才能成功進(jìn)行通信。UART通常有兩條數(shù)據(jù)線，即發(fā)送（Tx）和接收（Rx），因此數(shù)據(jù)可以同時(shí)雙向發(fā)送（全雙工）。

　　UART幀

　　沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，UART數(shù)據(jù)線空閑高電平。數(shù)據(jù)傳輸通過將線路拉低1位開始。起始位之后，發(fā)送數(shù)據(jù)位。隨后是一個(gè)停止位，此時(shí)線路再次變?yōu)楦唠娖健?/p>

　　例如，下面是二進(jìn)制數(shù)01011110（十六進(jìn)制0x7A）的傳輸：

　　框架的一些變化是可能的，但是上面顯示的框架設(shè)置是最常見的。關(guān)于框架變化的更多細(xì)節(jié)將在本文后面介紹。多個(gè)字節(jié)一個(gè)接一個(gè)地直接鏈接，中間不需要空閑時(shí)間；例如，下面是十六進(jìn)制序列0x1A9E2B：

　　波特率

　　通信發(fā)生的速度稱為波特率。波特率以每秒位數(shù)（bps）為單位，常用的速率有9600、19200和115200。對(duì)于具有1個(gè)停止位且沒有奇偶校驗(yàn)位的成幀設(shè)置（稍后將詳細(xì)描述），傳輸8個(gè)數(shù)據(jù)位（1個(gè)字節(jié)）需要10個(gè)位；因此，在9600波特時(shí)，這意味著數(shù)據(jù)速率為每秒960字節(jié)，或每字節(jié)1毫秒多一點(diǎn)。

　　因?yàn)樵搮f(xié)議是異步的，并且不使用時(shí)鐘，所以發(fā)送器和接收器都需要使用它們的內(nèi)部時(shí)鐘（例如微控制器中的系統(tǒng)時(shí)鐘）來為信號(hào)計(jì)時(shí)。有時(shí)，發(fā)送器或接收器可能無法產(chǎn)生所要求的準(zhǔn)確波特率，因?yàn)榭赡艿牟ㄌ芈释ǔＪ?a target="_blank">收發(fā)器內(nèi)部時(shí)鐘速度的一個(gè)因素——在這種情況下，實(shí)際波特率將偏離所要求的波特率一定的百分比，但只要偏差在一定的容差范圍內(nèi)，則通信仍然可以正常工作；通常，3%是通信仍能成功進(jìn)行的最大可能偏差。通?？梢詸z查微控制器（或其它收發(fā)器）數(shù)據(jù)手冊(cè)，以計(jì)算可能的精確波特率（因此也可以計(jì)算其它速率的%偏差）。

　　自動(dòng)竊聽

　　一些系統(tǒng)支持自動(dòng)波特率，即接收器在分析從發(fā)送器接收的一些數(shù)據(jù)后自動(dòng)檢測(cè)波特率。這是通過測(cè)量數(shù)據(jù)中最小脈沖的寬度來實(shí)現(xiàn)的，例如，如果最小脈沖寬度為8.68 s，則波特率為115200bps。

　　流控制

　　UART可以選擇具有額外的流量控制線路，當(dāng)接收器繁忙而無法立即接收更多數(shù)據(jù)時(shí)，這些線路會(huì)向發(fā)送器發(fā)出指示。例如，當(dāng)無線電調(diào)制解調(diào)器（如藍(lán)牙模塊）接收通過UART接收的數(shù)據(jù)并通過空中傳輸時(shí)，這可能很有用，因?yàn)榭罩袀鬏敂?shù)據(jù)速率比UART數(shù)據(jù)速率慢（甚至可能是暫時(shí)的，如無線電波被其他流量阻塞）。流量控制線稱為請(qǐng)求發(fā)送（RTS）和清除發(fā)送（CTS），一個(gè)收發(fā)器的RTS線連接到另一個(gè)收發(fā)器的CTS線，反之亦然。想要發(fā)送的收發(fā)器監(jiān)控另一個(gè)收發(fā)器的CTS線路（連接到第一個(gè)收發(fā)器的RTS引腳），當(dāng)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)時(shí)，將CTS線路設(shè)為高電平。

　　協(xié)議變化

　　到目前為止，UART協(xié)議最常用的變體是8N1，它是：

　　8個(gè)數(shù)據(jù)位。

　　沒有奇偶校驗(yàn)位。

　　1個(gè)停止位。

　　所用的數(shù)據(jù)位數(shù)量可在5至9之間變化（盡管大多數(shù)微控制器UART外設(shè)僅支持8或9位）。在使用第9位的情況下，這通常用于指示該幀是數(shù)據(jù)還是控制消息。

　　具有2個(gè)停止位提供了對(duì)幀的額外錯(cuò)誤檢查（如果兩個(gè)停止位都不存在，則存在錯(cuò)誤）。

　　奇偶校驗(yàn)是另一種形式的錯(cuò)誤檢查，其中設(shè)置了一個(gè)附加位，以使幀中1的數(shù)量為偶數(shù)或奇數(shù)。例如：對(duì)于偶數(shù)奇偶校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)中1的數(shù)量為3，則將設(shè)置奇偶校驗(yàn)位，使得幀中1的數(shù)量為4（偶數(shù)）。對(duì)于奇數(shù)奇偶校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)中1的數(shù)量為4，則將設(shè)置奇偶校驗(yàn)位，使得幀中1的數(shù)量為5（奇數(shù)）。

　　協(xié)議錯(cuò)誤

　　當(dāng)信號(hào)不符合UART標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)各種協(xié)議錯(cuò)誤，許多微控制器具有內(nèi)置硬件支持來檢測(cè)和報(bào)告這些錯(cuò)誤。由于通信線路中的干擾（如電磁干擾，即EMI）、不匹配的協(xié)議設(shè)置或不匹配的波特率，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　　成幀錯(cuò)誤：在預(yù)期位置未檢測(cè)到停止位。

　　奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤：奇偶校驗(yàn)不正確。

　　噪聲誤差：在線路上檢測(cè)到短于波特率的轉(zhuǎn)換（脈沖）。一些微控制器具有過采樣特性，UART線路每比特被讀取一次以上，該特性用于檢測(cè)噪聲。

　　接線

　　UART的一個(gè)非常常見（也很容易犯）的錯(cuò)誤是通信接線錯(cuò)誤——必須記住，一端的Rx連接到另一端的Tx，反之亦然。這同樣適用于流量控制管線——一側(cè)的RTS通向另一側(cè)的CTS，反之亦然。更糟糕的是，一些制造商根據(jù)主機(jī)上應(yīng)該連接的位置來標(biāo)記他們外圍設(shè)備上的引腳！因此，在這些設(shè)備上，主機(jī)上的Rx確實(shí)連接到外圍設(shè)備上的Rx（依此類推）。利用器件數(shù)據(jù)手冊(cè)仔細(xì)檢查UART接線總是一個(gè)好主意。例如，下面是一個(gè)GSM模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)的摘錄，其中從模塊的角度對(duì)引腳進(jìn)行了標(biāo)記：

　　這是另一個(gè)GSM模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)的摘錄，其中引腳從主機(jī)角度進(jìn)行了標(biāo)記：

　　MISO（主機(jī)輸入-從機(jī)輸出）/ MOSI（主機(jī)輸出-從機(jī)輸入）的SPI命名方案在避免這類愚蠢（且代價(jià)高昂）的錯(cuò)誤方面要好得多，但這不適用于UART——然而，在繪制原理圖時(shí)，徹底命名網(wǎng)絡(luò)（如藍(lán)牙_Tx）會(huì)有所幫助，這將有助于避免錯(cuò)誤。

　　物理層

　　UART通信可以通過各種物理硬件方案進(jìn)行。其中一些是TTL、RS232和RS485：

　　TTL代表晶體管到晶體管邏輯（參見我們的模擬和數(shù)字信號(hào)文章），適用于短距離通信。高的一般是5V或者3.3V，低的是0V。

　　RS232曾經(jīng)在電腦上很常見，后來被USB取代了。RS232的高電平在-3V到-15V之間，低電平在3V到15V之間。自從RS232被USB取代后，USB轉(zhuǎn)串行轉(zhuǎn)換器芯片變得很常見（如無處不在的FT232），它在計(jì)算機(jī)上表現(xiàn)為一個(gè)虛擬的COM端口。

　　RS485是一種差分對(duì)實(shí)現(xiàn)方式，在抗電磁干擾（EMI）和長距離通信方面更勝一籌。有關(guān)差分對(duì)的更多信息，請(qǐng)參閱我們的高速設(shè)計(jì)文章。

　　盡管UART是最早開發(fā)的通信協(xié)議之一，但它今天仍然和以往一樣相關(guān)和受歡迎，對(duì)該協(xié)議有一點(diǎn)了解有助于理解如何在您的應(yīng)用中最好地實(shí)現(xiàn)它，以及如何調(diào)試任何問題（例如使用示波器）。Proteus提供了虛擬終端和示波器儀器，用于在仿真下使用UART，此外還提供了組件庫中大量支持UART的器件。

　　審核編輯：黃飛