ElfBoard嵌入式教育科普|UART接口全面解析

UART的全稱是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，譯為通用異步收發(fā)傳輸器，是一種硬件設(shè)備，也是一種異步串口通信協(xié)議。它作為一種串行、異步、全雙工的通信協(xié)議，將所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一位接一位地傳輸，在協(xié)議中信號線上的狀態(tài)位高電平代表“1”，低電平代表“0”。其特點(diǎn)是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，大大降低了成本，但傳送速度較慢。

這里簡單對比理解一下全雙工和半雙工、串行和并行、異步和同步幾種通信方式的區(qū)別：

（1）全雙工

指通信雙方可以同時進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且可以同時進(jìn)行這兩個操作而不會互相干擾。通常需要兩條物理通信線（或通道），一條用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一條用于接收數(shù)據(jù)。典型的例子包括電話系統(tǒng)，其中兩個人可以同時說話和聽對方說話，而不會發(fā)生沖突。

（2）半雙工

指通信雙方可以交替進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但不能同時進(jìn)行。當(dāng)一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，另一個設(shè)備必須處于接收模式，并且反之亦然。只需要一條物理通信線（或通道），這條線在不同時間段上被用于發(fā)送和接收操作。例如，對講機(jī)就是典型的半雙工通信設(shè)備，一個人說話時其他人必須等待，不能同時說話。

（3）串行

串行傳輸是指數(shù)據(jù)位按順序一個接一個地傳輸，通過單一的通信線（通道）進(jìn)行。每個數(shù)據(jù)位依次發(fā)送或接收，依據(jù)一個時鐘信號進(jìn)行同步。由于數(shù)據(jù)逐位傳輸，通常速度比較慢，但可以使用較少的物理線路，適合長距離通信和資源有限的情況。

（4）并行

并行傳輸是指同時傳輸多個數(shù)據(jù)位，每個數(shù)據(jù)位使用獨(dú)立的通信線（通道）。每個數(shù)據(jù)位可以獨(dú)立進(jìn)行傳輸和接收。由于同時傳輸多個位，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但也需要更多的物理線路和更復(fù)雜的硬件支持。

（5）同步

同步傳輸是指數(shù)據(jù)按照預(yù)定的時鐘信號進(jìn)行傳輸，發(fā)送和接收端設(shè)備需要共享時鐘信號，以便正確地解釋數(shù)據(jù)。通信雙方需要通過時鐘信號來同步數(shù)據(jù)的傳輸速率和時序。能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，并確保數(shù)據(jù)的時序一致性和準(zhǔn)確性。常見于需要精確的時序控制和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，如內(nèi)存總線、以太網(wǎng)等。

（6）異步

異步傳輸是指數(shù)據(jù)不需要通過外部的時鐘信號來同步傳輸，而是通過在數(shù)據(jù)包中引入起始位和停止位來識別每個數(shù)據(jù)包的開始和結(jié)束。通信雙方的時鐘可以是獨(dú)立的。更簡單和靈活，適用于低速和不需要精確時序的通信。異步傳輸不需要嚴(yán)格的時鐘同步，因此可以減少硬件復(fù)雜度和成本。

二、工作模式

UART 通道有兩條數(shù)據(jù)線。每個設(shè)備上都有一個 RX 引腳和一個 TX 引腳（RX 用于接收，TX 用于發(fā)送）。每個設(shè)備的 RX 引腳都連接到另一個設(shè)備的 TX 引腳。此類型的設(shè)備連接是沒有時鐘線的。

連接好后，UART就會采用字節(jié)數(shù)據(jù)并以順序方式發(fā)送各個位。在接收端，第二個UART將這些位重新組合成完整的字節(jié)。

在UART中，傳輸數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)幀的方式進(jìn)行的，一個標(biāo)準(zhǔn)的UART數(shù)據(jù)幀如下圖所示：

起始位：先發(fā)出一個邏輯“0”，表示傳輸字符開始。

數(shù)據(jù)位：可以是5~8位邏輯“0”或“1”。如ASCII碼（7位），擴(kuò)展BCD碼（8位），采用小端傳輸。

校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)）。

停止位：它是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?位、1.5位、2位的高電平。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒有資料傳送。

UART除了要關(guān)注以上的數(shù)據(jù)幀之外，還有很重要的一點(diǎn)就是波特率，波特率指UART傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，以波特（Baud）為單位。波特率決定了每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)。通信的雙方必須設(shè)置相同的波特率，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，常見的波特率有9600、115200等。

三、常見類型

UART通信本身定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)、幀格式和波特率等內(nèi)容，但它并未對實(shí)際傳輸信號的電壓范圍做具體規(guī)定。電平標(biāo)準(zhǔn)決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘栯妷悍秶?、傳輸距離以及抗干擾性能，不同的電平標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)UART通信，用來滿足不同的應(yīng)用需求。

常見的串行通信電平標(biāo)準(zhǔn)有TTL、RS-232和RS-485，它們的常見電壓區(qū)別如下圖所示：

（1）TTL

基于TTL的UART通信是UART協(xié)議應(yīng)用最簡單的使用場景，即直接把數(shù)字IO輸出的高低電平作為實(shí)際的物理信號進(jìn)行傳輸。TTL 使用的是標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平（Transistor-Transistor Logic），常見的電平有5V、3.3V、1.8V。

不同電平標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的邏輯高低電平如下表：

在物理連接上，只需要設(shè)備共地，通過一根信號線即可完成單向的設(shè)備通訊。如果需要雙向全雙工，使用兩根信號線即可。適用于短距離通信，通常在電子 DIY 項(xiàng)目、嵌入式系統(tǒng)、和各種傳感器和執(zhí)行器之間的通信中被廣泛采用。

（2）RS-232

RS-232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）指定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，原始編號全稱是EIA-RS-232（簡稱232，RS232）。它被廣泛用于計(jì)算機(jī)串行接口外設(shè)連接。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（Recommended Standard）代表標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識號，C代表RS232的第三次修改（1969年），在這之前，還有RS232B、RS232A。RS-232主要用于計(jì)算機(jī)串行接口（COM端口）和外部設(shè)備之間的通信，如調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)等，主要應(yīng)用于短距離通信。

RS-232 的電平范圍通常在-15V至+15V之間，典型電壓為±12V。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輸入端邏輯高電平范圍為-3V到-15V ，邏輯低電平范圍為+3V到+15V；輸出端邏輯高電平范圍為-5V到-15V，邏輯低電平+5V到+15V。RS-232信號線在沒有數(shù)據(jù)傳輸時保持在負(fù)電壓，數(shù)據(jù)傳輸開始時電壓在正負(fù)電平之間交替，這種較大的電壓擺幅提高了抗干擾性，使RS-232在短距離通信中穩(wěn)定可靠。

（3）RS-485

電子工業(yè)協(xié)會于1983年在RS-422工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上指定并發(fā)布了RS-485總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。RS-485工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)具有能夠有效支持多個分節(jié)點(diǎn)，通信距離遠(yuǎn)，并且對于信息的接收靈敏度較高等特性。RS-485總線一般主要用于與外部各種工業(yè)設(shè)備進(jìn)行信息傳輸和數(shù)據(jù)交換，所具備的對于噪聲的有效抑制能力、高效的數(shù)據(jù)傳輸速率與良好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃阅芤约翱蓴U(kuò)展的通信電纜的長度是其他的許多工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)所無法比擬的。

它是一種多點(diǎn)、差分信號的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，通常用于在遠(yuǎn)距離（高達(dá)1200米）和噪聲環(huán)境下進(jìn)行通信。RS485 UART以正負(fù)差分電平來表示數(shù)據(jù)，邏輯1和邏輯0之間的電壓差異決定了信號的傳輸和接收。支持多個設(shè)備在同一通信線上傳輸數(shù)據(jù)，使用低功耗驅(qū)動器和接收器，可以提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

關(guān)于UART接口就介紹到這里，衷心希望這些內(nèi)容能為屏幕前努力學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)的小伙伴帶來實(shí)質(zhì)性的幫助與啟發(fā)。

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