UART通信協議的工作原理

什么是UART？

通用異步接收器/發射器，通常稱為UART，是一種串行，異步，全雙工通信協議，廣泛用于嵌入式領域。

UART連接

UART通道有兩條數據線。每個設備上都有一個 RX 引腳和一個 TX 引腳（RX 用于接收，TX 用于發送）。每個設備的 RX 引腳連接到另一個設備的 TX 引腳。請注意，沒有共享時鐘線！這是通用異步接收器發送方的“異步”方面。

作為一種異步串行通信協議，UART的工作原理是逐位傳輸傳輸數據的每個二進制位。在UART通信協議中，當信號線上的狀態為高電平時，表示“1”，當信號線上的狀態為低電平時，表示“0”。

例如，當使用UART通信協議傳輸一個字節的數據時，在信號線上產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據，或者兩條信號線可以形成全雙工通信，如RS232。特點是通信線路簡單，使用簡單的電纜即可實現通信，成本降低，適合遠距離通信的應用，但傳輸速度慢。

異步通信以一個字符作為傳輸單元。通信中兩個字符之間的時間間隔不是固定的，但同一字符中兩個相鄰位之間的時間間隔是固定的。一般來說，兩個UART設備之間的通信不需要時鐘線。此時，需要在兩個UART設備上指定相同的傳輸速率，以及空閑位，起始位，奇偶校驗位和結束位，即遵循相同的協議。

數據傳輸速率以波特率表示，即每秒傳輸的位數。例如，如果數據傳輸速率為120個字符/秒，每個字符為10位（1個起始位，7個數據位，1個校驗位，1個停止位），則其傳輸的波特率為10×120 = 1200個字符/秒= 1200波特。

數據通信格式

起始位

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

數據位

起始位之后是我們要傳輸的數據。數據位可以是 5、6、7、8、9 位等。形成一個字符（通常為 8 位）。如 ASCII 碼（7 位）和擴展 BCD 碼（8 位）。最低位先發送，最高位最后發送。使用低電平表示“0”，使用高電平表示“1”以完成數據位的傳輸。

奇偶校驗位

將此位添加到數據位后，“1”位的位數應為偶數（偶數奇偶校驗）或奇數（奇偶奇偶校驗），以驗證數據傳輸的正確性。校驗位其實就是調整號，串口校驗分為幾種方式：

無奇偶校驗

奇偶校驗：如果數據位中“1”的數字是偶數，則奇偶校驗位為“1”，如果“1”的數字為奇數，則奇偶校驗位為“0”。

偶數奇偶校驗：如果數據中“1”的數字是偶數，則奇偶校驗位為“0”，如果是奇數，則奇偶校驗位為“1”。

標記平價：校驗位始終為 1（不常用）。

平價：奇偶校驗位始終為 0（不常用）。

停止位

它是字符數據的結束標記。它可以是 1 位、1.5 位或 2 位 VOH。由于數據是在傳輸線上定時的，并且每個設備都有自己的時鐘，因此在通信中兩個設備之間很可能會出現小的不同步。因此，停止位不僅指示傳輸結束，而且還為計算機提供了校正時鐘的機會。停止位越多，數據傳輸越穩定，但數據傳輸速度越慢。

協議層

在協議層中，指定了數據包的內容，由起始位、主數據、校驗位和停止位組成。雙方的數據包格式必須一致，才能正常發送和接收數據。

波特率

由于異步通信中沒有時鐘信號，因此兩個通信設備需要就波特率達成一致。常見的有4800、9600、115200等。

通信的開始和停止信號：串行通信的數據包從開始信號開始，以停止信號結束。數據包的開始信號由邏輯0的數據位表示，數據包的停止信號可以用邏輯0的5.1、1、5.2或1個數據位表示，只要雙方同意即可。

數據檢查：在有效數據之后，有一個可選的數據校驗位。由于數據通信相對容易受到外界干擾，傳輸數據偏斜，可以在傳輸過程中增加校驗位來解決這個問題。檢查方法包括奇數檢查、偶數檢查、0 檢查（空格）、1 檢查（標記）和無奇偶校驗。

奇偶校驗要求有效數據和奇偶校驗位中的“1”數為奇數。

例如，8 01101001 位有效數據，總共有 4 個“1”。如果校驗位為“1”，則最后傳輸的數據將是 8 位有效數據加上 1 位校驗位，總計 9 位。偶數奇偶校驗和奇數奇偶校驗要求正好相反。幀數據和奇偶校驗位中“1”的數目要求為偶數，如數據幀：11001010。此時，數據框中“1”的數量為4，因此偶數奇偶校驗位為“0”。0 check 表示無論有效數據的內容是什么，校驗位始終為“0”，1 check 表示校驗位始終為“1”。

錯誤狀態

以下是使用 UART 時可能會遇到的一些錯誤:

成幀錯誤

UART狀態和控制寄存器將指示各種狀態條件，包括與傳輸相關的錯誤狀態。了解此協議可以更輕松地理解錯誤狀態。它們包括成幀錯誤，當接收器在預期的位時間看不到停止位時會發生。如果數據線在預期停止位時未處于預期的高電平狀態（取決于設置 UART 的數據和奇偶校驗位的數量），則 UART 將發出成幀錯誤的信號。

奇偶校驗錯誤

僅當 UART 處于奇偶校驗模式時，才會引發奇偶校驗錯誤。在奇偶校驗模式下，發送一個額外的位來保存所有傳輸的數據位的奇偶校驗（偶數或奇數）。如果數據位出錯（1 表示 0 或 0 表示 1），則奇偶校驗位將出錯，并且將引發指定錯誤的錯誤。

溢出錯誤

當接收方在下一個字符到達之前不處理（從輸入緩沖區中刪除字符）時，會發生溢出錯誤。

中斷條件

中斷條件不一定是錯誤。當接收器輸入處于邏輯低電平狀態超過一定持續時間（通常超過一個字符時間）時，就會發生這種情況。對于接收者來說，它看起來像一個帶有成幀錯誤的全0字符。在 python 代碼中，您可以看到重置是通過發送中斷觸發的。這會將數據線拉低足夠長的時間，以便MCLR被拉低并復位電路板。

以下是UART，I2c和SPI之間的區別

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”的通信外圍設備，每個通信外設都有自己的優點和缺點。因此，用戶應選擇最適合其項目的通信外設。例如，如果您想要最快的通信外設，SPI 將是理想的選擇。另一方面，如果用戶想要連接多個設備而又不太復雜，I2C 將是理想的選擇，因為它最多可以連接 127 臺設備并且易于管理。

很多MUC控制器都支持UART協議，SPI協議和I2C協議，比如Seeeduino XIAO 控制器，用戶可以根據自己的需求選擇不同的接口設備。

寫在最后

不同通信協議都有其優點和缺點，根據應用場景合理選擇即可，這樣我們的MUC控制器就可以控制各種各樣的硬件設備或傳感器設備了！