串行通信协议-第二部分(fēn)：UART

2021-04-15

串行通信协议-第二部分(fēn)：UART

我们将研究流行的UART器件。它不是通信协议，而是微控制器或独立IC中用(yòng)于传输和接收串行数据的物(wù)理(lǐ)電(diàn)路。它支持我们撰写的系列文(wén)章，以介绍一些可(kě)用(yòng)的不同类型的串行通信协议。 

串行通信是在诸如微控制器，产生数据的外围设备和其他(tā)智能(néng)设备之类的设备之间传输信息的理(lǐ)想机制。我们希望您下次设计需要结合串行通信总線(xiàn)时，会发现此资源非常宝贵。UART通常也称為(wèi)设备上的串行端口。但是，这通常会与另一种使用(yòng)DB9样式连接器并使用(yòng)RS-232作為(wèi)硬件协议的串行端口混淆。将UART连接到RS-232收发器是很(hěn)常见的，以使微控制器上的UART外设与基于RS-232的设备相互通信。

UART代表通用(yòng)异步接收器发送器。该通信系统需要除接地以外的两个引脚。一个标记為(wèi)TX（发送器），另一个标记為(wèi)RX（接收器）。名称中出现异步一词意味着它不需要时钟信号。由于没有(yǒu)时钟，因此发送和接收设备必须使用(yòng)相同的波特率。

波特率（Bd）是传输速率的度量单位。此参数确定发送器和接收器的数据通道上的通信速度。波特率可(kě)以表示為(wèi)每秒(miǎo)位数，以使其更简单。因此，速率為(wèi)1000 Bd意味着通信速度為(wèi)每秒(miǎo)1000位，或者一位的持续时间為(wèi)1/1000秒(miǎo)或1毫秒(miǎo)。波特率具有(yǒu)标准度量标准前缀，例如kBd（千比特），MBd（兆比特）或GBd（千兆比特）。波特率包括消息的非数据部分(fēn)，例如开始和停止位，这意味着从发送器发送到接收器的有(yǒu)用(yòng)信息的发送率将略低。

一些更流行的预定义UART波特率包括： 

110波特

300波特

1200波特

4800波特

9600波特

19200波特

38400波特

115200波特

有(yǒu)时，两个通信设备的波特率都可(kě)以调整，而有(yǒu)时，其中一个设备将具有(yǒu)固定的波特率，要求另一个更改与之匹配。

因此，要使用(yòng)UART连接两个设备，发送器TX引脚应连接到接收器RX引脚

在某些配置下，两个设备上都将具有(yǒu)RX和TX引脚，从而使您可(kě)以将命令从微控制器发送到专用(yòng)IC，并从另一个方向接收命令或信息。这称為(wèi)双工连接。当不需要第二设备的反馈时，也有(yǒu)一些应用(yòng)。因此，通信只需要一个方向。因此，仅需要一条TX到RX传输線(xiàn)。这称為(wèi)单纯形连接。

发送设备将需要发送一个起始位，以启动从该设备到接收设备的通信。该位通知接收设备通信已经开始。

然后，将数据位作為(wèi)代表实际数据的八位流发送，其中最高有(yǒu)效位（MSB）标记為(wèi)D7，最低有(yǒu)效位（LSB）标记為(wèi)D0。

然后，在这些数据位的末尾，发送器发送一个停止位（表明这是消息的末尾），并将UART总線(xiàn)置于其空闲模式。

在这种情况下，我们可(kě)以看到；完整的UART消息将由10位组成。在空闲模式下，UART总線(xiàn)被拉高，它发送一个开始位，该开始位為(wèi)低，然后是8个数据位，然后是停止位。停止位不限于仅仅一位。它可(kě)以有(yǒu)多(duō)种配置，具體(tǐ)取决于通信速率有(yǒu)多(duō)快。这种配置意味着整个消息位设置至少持续一次将总線(xiàn)信号電(diàn)压電(diàn)平从低電(diàn)平持续更改為(wèi)高電(diàn)平。

最高有(yǒu)效位D7也可(kě)以用(yòng)作奇偶校验位。该位提供了基本的错误检查机制，该机制出现在通信的最小(xiǎo)块中。奇偶校验位可(kě)用(yòng)于确保高位或一位的总数為(wèi)奇数或偶数，具體(tǐ)取决于编码。对于偶数奇偶校验，如果设置了数据位D0至D6，则它们由偶数个高位组成，则奇偶校验位设置為(wèi)0（低）。相反，如果这组位的高位数量不均匀，则奇偶校验位设置為(wèi)1（高）。这确保了消息中高位的总数将是偶数。在奇偶校验检查不均匀的情况下，如果将数据位D0至D6设置為(wèi)由偶数个高位组成，则奇偶校验位将设置為(wèi)1（高）。相反，如果这组位的高位数量不均匀，然后将奇偶校验位设置為(wèi)0（低）。这样可(kě)以确保消息中高位的总数為(wèi)奇数。

因此，通过使用(yòng)奇偶校验位，可(kě)以通过检查设置的位来检测错误。假设包括奇偶校验位在内的总位数设置為(wèi)高是不正确的。在这种情况下，奇偶校验位允许接收器在传输期间检测到错误。但是，这种类型的错误保护无法纠正错误，只能(néng)捕获已发生的错误，因為(wèi)无法确定整个位集中的哪个位不正确。它只能(néng)检测一位是否处于错误状态。如果总體(tǐ)奇偶校验最终正确，则可(kě)能(néng)无法检测到影响多(duō)个位的任何错误。

如果检测到奇偶校验错误，则必须丢弃整个消息并从头开始重新(xīn)传输。在高干扰或高噪声水平的情况下，可(kě)能(néng)需要花(huā)费大量时间才能(néng)成功传输。但是，它有(yǒu)助于防止消息错误。

除此之外，UART通信的接收和发送端必须使用(yòng)完全相同的波特率和字符長(cháng)度，奇偶校验机制以及停止位配置，才能(néng)成功进行通信。

UART还有(yǒu)一个变體(tǐ)，称為(wèi)USART。这是通用(yòng)同步异步接收器发送器。当為(wèi)数据计时时，它既可(kě)以充当异步通道（就像UART），又(yòu)可(kě)以充当同步通道。时钟可(kě)以从数据本身恢复，也可(kě)以作為(wèi)单独的外部信号发送。 

在同步模式下使用(yòng)USART时，不需要启动和停止位。由于位时序具有(yǒu)时钟参考，因此这允许通信在同步操作时使用(yòng)更高的数据速率。因此，更多(duō)的位可(kě)用(yòng)于数据而不是开始/停止位。

UART和USART的主要目的是将PC总線(xiàn)上的并行数据转换為(wèi)串行数据，可(kě)以使用(yòng)串行驱动器在符合串行通信协议标准（例如RS-232或RS-485）的总線(xiàn)上传输串行数据。UART / USART和外部总線(xiàn)之间需要接口转换器。然后，这允许该数据由相似的设备读取，而这两者不需要使用(yòng)完全相同的串行数据格式。只要两者之间的传输符合通用(yòng)的受支持标准协议，每个设备内串行通信的实现就可(kě)以特定于该设备。

尽管UART在计算机市场上已被USB取代，但它们仍广泛用(yòng)于低成本设备中的串行通信。