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UART 协议

news 2025/10/8 8:04:19

文章目录

  • 电气层
  • 硬件拓扑
  • 基本原理
  • 协议
    • 空闲位
    • 起始位
    • 数据位
    • 奇偶校验位
      • 无校验
      • 奇校验
      • 偶校验
      • mark parity
      • parity
    • 停止位
  • 波特率
  • 优缺点
    • 优点
    • 缺点
  • 参考

UART(universal asynchronous receiver-transmitter) 通用异步收发器

分类特点
导线2
速度9600， 19200， 38400， 57600， 115200， 230400， 460800， 921600， 1000000，1500000
传输方法异步
通信方式串行通信
工作方式全双工
最大主机数1
最大从机数1

电气层

UART 使用标准的 TTL/CMOS 逻辑电平（0-5V， 0-3.3V，0-2.5V或者0-1.8V）来表示数据，1 表示高电平，0 表示低电平。

为了提高抗干扰能力，提高传输的距离，通常也会 TTL/CMOS 逻辑电平转换为 RS-232/RS-485 电平。

硬件拓扑

在 UART 通信中，两个 UART 直接相互通信。发送 UART 将控制设备（如 CPU）的并行数据转换为串行形式，以串行方式将其发送到接收 UART。只需要两条线即可在两个 UART 之间传输数据，数据从发送 UART 的 Tx 引脚流到接收 UART 的 Rx 引脚
在这里插入图片描述

当然也可以单个 MCU 自发自收
在这里插入图片描述

基本原理

UART 属于异步通讯，这意味着没有时钟信号，取而代之的是在数据包中添加开始和停止位。这些位定义了数据包的开始和结束，因此接收 UART 知道何时读取这些数据。

当接收 UART 检测到起始位时，它将以特定波特率的频率读取。波特率是数据传输速度的度量，以每秒比特数（bps）表示。两个 UART 必须以大约相同的波特率工作，发送和接收 UART 之间的波特率只能相差约 10％。

发送 UART 从数据总线获取并行数据后，它会添加一个起始位，一个奇偶校验位和一个停止位来组成数据包并从 Tx 引脚上逐位串行输出，接收 UART 在其 Rx 引脚上逐位读取数据包。

在这里插入图片描述

协议

UART 数据包含有 1 个起始位，5 至 9 个数据位（取决于 UART），一个可选的奇偶校验位以及 1 个或 2 个停止位：
在这里插入图片描述

空闲位

UART 协议规定，当总线处于空闲状态时，信号线的状态为 1 即高电平。

起始位

UART 数据传输线通常在不传输数据时保持在高电压电平。开始传输时发送 UART 在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平，当接收 UART 检测到高电压到低电压转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

数据位

数据帧内包含正在传输的实际数据，在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送（LSB）

  • 如果使用奇偶校验位，则可以是 5 位，最多 8 位。
  • 如果不使用奇偶校验位，则数据帧的长度可以为 9 位。

在这里插入图片描述

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。

串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位（即1的个数为偶个或者奇个）。

接收 UART 读取数据帧后，将计数值为 1 的位，检查总数是偶数还是奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART 认为传输未出错。如果未匹配则认为传输出错。

例如，如果数据是 0b011，

  • 如果是偶校验，校验位为 0，保证逻辑高的位数是偶数个。
  • 如果是奇校验，校验位为 1，保证逻辑高的位数是奇数个，这样就有 3 个逻辑高位。

无校验

没有校验位也是可以的，没有校验位是最多可以传输 9 bit 数据。

奇校验

  • 如果数据中 1 的数据为偶数，则校验位为 1
  • 如果数据中 1 的数据为奇数，则校验位为 0

偶校验

  • 如果数据中 1 的数据为偶数，则校验位为 0
  • 如果数据中 1 的数据为奇数，则校验位为 1

mark parity

校验位始终为 1（不常用）

parity

校验位始终为 0（不常用）

停止位

为了向数据包的结尾发出信号，它是一个字符数据的结束标志 。可以是 1 位、1.5 位、2 位的高电平。

由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备之间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟的机会。停止位个数越多，数据传输越稳定，但是数据传输速度也越慢。

波特率

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。

数据传输速率使用波特率来表示，单位 bps（bits per second），常见的波特率9600bps，115200bps 等等，其他标准的波特率是1200bps，2400bps，4800bps，19200bps，38400bps，57600bps。举个例子，如果串口波特率设置为 9600bps，那么传输一个比特需要的时间是 1/9600≈104.2us。

以 9600 8N1（9600 波特率，8 个数据位，没有校验位，1 位停止位）为例，这是目前最常用的串口配置，现在我们传输 0x55，对应的二进制数据为 01010101

串口波特率为 9600，1bit 传输时间大约为 104us，传送一个数据实际是 10 个比特（1 个开始位，8 个数据位，1 个停止位），一个 bytes 传输速率实际为 9600*8/10 = 7680bps。

优缺点

优点

  • 通信只需要两根线
  • 无需时钟信号
  • 有奇偶校验位，方便通信的差错检查
  • 只需要接收端和发送端设置好数据包结构，即可稳定通信

缺点

  • 传输速率低
  • 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗干扰性弱
  • 传输距离有限，数据帧最大只支持 9 位数据

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/600121894
https://www.yii666.com/blog/335083.html
https://mp.weixin.qq.com/s/N36JOLDHGHDU8EHro4uS9w
https://blog.csdn.net/qq_48641886/article/details/127756365

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