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一文搞懂UART通信协议

发布人:美男子玩编程时间:2022-09-19来源:工程师

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UART简介

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步收发器)是一种双向、串行、异步的通信总线,仅用一根数据接收线和一根数据发送线就能实现全双工通信。


典型的串口通信使用3根线完成,分别是:发送线(TX)、接收线(RX)和地线(GND),通信时必须将双方的TX和RX交叉连接并且GND相连才可正常通信,如下图所示:


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UART特性

UART接口不使用时钟信号来同步发送器和接收器设备,而是以异步方式传输数据。发送器根据其时钟信号生成的位流取代了时钟信号,接收器使用其内部时钟信号对输入数据进行采样。


同步点是通过两个设备的相同波特率(UART和大多数串行通信一样,发送和接收设备需要将波特率(波特率是指信息传输到信道的速率)设置为相同的值。对于串行端口,设定的波特率将用作每秒传输的最大位数)来管理的。


如果波特率不同,发送和接收数据的时序可能会受影响,导致数据处理过程出现不一致。允许的波特率差异最大值为10%,超过此值,位的时序就会脱节。


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下总结了关于UART必须了解的几点:


导线数量3根(TX、RX和GND)
速度1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等
传输方式全双工异步
最大主机数量1
最大从机数量1



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UART协议帧

在UART中,传输模式为数据包形式。数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。


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3.1、起始位

当不传输数据时,UART数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输,发送UART会将传输线从高电平拉到低电平并保持1个时钟周期。


当接收UART检测到高到低电压跃迁时,便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。


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3.2、数据位

数据帧包含所传输的实际数据。如果使用奇偶校验位,数据帧长度可以是5位到8位。如果不使用奇偶校验位,数据帧长度可以是9位。


在大多数情况下,数据以最低有效位优先方式发送。


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3.3、奇偶校验位

奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位,接收UART判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。


校验位可以配置成 1 位偶校验或 1 位奇校验或无校验位。


接收UART读取数据帧后,将统计数值为1的位,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或逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为1(奇数奇偶校验),则数据帧中的1或逻辑高位总计应为奇数。


当奇偶校验位与数据匹配时,UART认为传输未出错。但是,如果奇偶校验位为0,而总和为奇数,或者奇偶校验位为1,而总和为偶数,则UART认为数据帧中的位已改变。


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3.4、停止位

为了表示数据包结束,发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1到2位时间。


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UART通信步骤

第1步:数据从数据总线到发送器。


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第2步:发送UART将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧。


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第3步:从起始位到结束位,整个数据包以串行方式从发送器送至接收器。


接收UART以预配置的波特率对数据线进行采样。


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第4步:接收器丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位。


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第5步:接收器将串行数据转换回并行数据,并将其传输到接收端的数据总线。


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关键词: UART

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