微控制器通信協議之UART技術

　　UART是一種通信協議，用于將數據從一個設備發送到另一個設備。在流行的微控制器通信協議（UART、SPI和I2C）中，UART是最先開發的。

　　UART代表通用異步接收器和發送器。同步協議具有獨立的時鐘和數據線路，時鐘線路用于觸發數據線的讀?。ɑ驅懭耄?。UART是異步的，這意味著它只有數據線，沒有時鐘線。不使用時鐘線，數據以特定的速度傳輸，接收器和發送器都需要設置為相同的速度（稱為波特率），才能成功進行通信。UART通常有兩條數據線，即發送（Tx）和接收（Rx），因此數據可以同時雙向發送（全雙工）。

　　UART幀

　　沒有數據傳輸時，UART數據線空閑高電平。數據傳輸通過將線路拉低1位開始。起始位之后，發送數據位。隨后是一個停止位，此時線路再次變為高電平。

　　例如，下面是二進制數01011110（十六進制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置是最常見的。關于框架變化的更多細節將在本文后面介紹。多個字節一個接一個地直接鏈接，中間不需要空閑時間；例如，下面是十六進制序列0x1A9E2B：

　　波特率

　　通信發生的速度稱為波特率。波特率以每秒位數（bps）為單位，常用的速率有9600、19200和115200。對于具有1個停止位且沒有奇偶校驗位的成幀設置（稍后將詳細描述），傳輸8個數據位（1個字節）需要10個位；因此，在9600波特時，這意味著數據速率為每秒960字節，或每字節1毫秒多一點。

　　因為該協議是異步的，并且不使用時鐘，所以發送器和接收器都需要使用它們的內部時鐘（例如微控制器中的系統時鐘）來為信號計時。有時，發送器或接收器可能無法產生所要求的準確波特率，因為可能的波特率通常是收發器內部時鐘速度的一個因素——在這種情況下，實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，則通信仍然可以正常工作；通常，3%是通信仍能成功進行的最大可能偏差。通?？梢詸z查微控制器（或其它收發器）數據手冊，以計算可能的精確波特率（因此也可以計算其它速率的%偏差）。

　　自動竊聽

　　一些系統支持自動波特率，即接收器在分析從發送器接收的一些數據后自動檢測波特率。這是通過測量數據中最小脈沖的寬度來實現的，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，當接收器繁忙而無法立即接收更多數據時，這些線路會向發送器發出指示。例如，當無線電調制解調器（如藍牙模塊）接收通過UART接收的數據并通過空中傳輸時，這可能很有用，因為空中傳輸數據速率比UART數據速率慢（甚至可能是暫時的，如無線電波被其他流量阻塞）。流量控制線稱為請求發送（RTS）和清除發送（CTS），一個收發器的RTS線連接到另一個收發器的CTS線，反之亦然。想要發送的收發器監控另一個收發器的CTS線路（連接到第一個收發器的RTS引腳），當準備接收數據時，將CTS線路設為高電平。

　　協議變化

　　到目前為止，UART協議最常用的變體是8N1，它是：

　　8個數據位。

　　沒有奇偶校驗位。

　　1個停止位。

　　所用的數據位數量可在5至9之間變化（盡管大多數微控制器UART外設僅支持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據還是控制消息。

　　具有2個停止位提供了對幀的額外錯誤檢查（如果兩個停止位都不存在，則存在錯誤）。

　　奇偶校驗是另一種形式的錯誤檢查，其中設置了一個附加位，以使幀中1的數量為偶數或奇數。例如：對于偶數奇偶校驗，如果數據中1的數量為3，則將設置奇偶校驗位，使得幀中1的數量為4（偶數）。對于奇數奇偶校驗，如果數據中1的數量為4，則將設置奇偶校驗位，使得幀中1的數量為5（奇數）。

　　協議錯誤

　　當信號不符合UART標準時，可能會出現各種協議錯誤，許多微控制器具有內置硬件支持來檢測和報告這些錯誤。由于通信線路中的干擾（如電磁干擾，即EMI）、不匹配的協議設置或不匹配的波特率，可能會出現錯誤。

　　成幀錯誤：在預期位置未檢測到停止位。

　　奇偶校驗錯誤：奇偶校驗不正確。

　　噪聲誤差：在線路上檢測到短于波特率的轉換（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，該特性用于檢測噪聲。

　　接線

　　UART的一個非常常見（也很容易犯）的錯誤是通信接線錯誤——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——一側的RTS通向另一側的CTS，反之亦然。更糟糕的是，一些制造商根據主機上應該連接的位置來標記他們外圍設備上的引腳！因此，在這些設備上，主機上的Rx確實連接到外圍設備上的Rx（依此類推）。利用器件數據手冊仔細檢查UART接線總是一個好主意。例如，下面是一個GSM模塊數據手冊的摘錄，其中從模塊的角度對引腳進行了標記：

　　這是另一個GSM模塊數據手冊的摘錄，其中引腳從主機角度進行了標記：

　　MISO（主機輸入-從機輸出）/ MOSI（主機輸出-從機輸入）的SPI命名方案在避免這類愚蠢（且代價高昂）的錯誤方面要好得多，但這不適用于UART——然而，在繪制原理圖時，徹底命名網絡（如藍牙_Tx）會有所幫助，這將有助于避免錯誤。

　　物理層

　　UART通信可以通過各種物理硬件方案進行。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字信號文章），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轉串行轉換器芯片變得很常見（如無處不在的FT232），它在計算機上表現為一個虛擬的COM端口。

　　RS485是一種差分對實現方式，在抗電磁干擾（EMI）和長距離通信方面更勝一籌。有關差分對的更多信息，請參閱我們的高速設計文章。

　　盡管UART是最早開發的通信協議之一，但它今天仍然和以往一樣相關和受歡迎，對該協議有一點了解有助于理解如何在您的應用中最好地實現它，以及如何調試任何問題（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