一文搞懂UART通信协议

目录

1、UART简介

2、UART特性

3、UART协议帧

3.1、起始位

3.2、数据位

3.3、奇偶校验位

3.4、停止位

4、UART通信步骤

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1、UART简介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种双向、串行、异步的通信总线，仅用一根数据接收线和一根数据发送线就能实现全双工通信。典型的串口通信使用3根线完成，分别是：发送线（TX）、接收线（RX）和地线（GND），通信时必须将双方的TX和RX交叉连接并且GND相连才可正常通信，如下图所示：

2、UART特性

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（UART和大多数串行通信一样，发送和接收设备需要将波特率（波特率是指信息传输到信道的速率）设置为相同的值。对于串行端口，设定的波特率将用作每秒传输的最大位数）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。

下总结了关于UART必须了解的几点：

导线数量	3根（TX、RX和GND）
速度	1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等
传输方式	全双工异步
最大主机数量	1
最大从机数量	1

3、UART协议帧

在 UART中，传输模式为数据包形式。数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。

3.1、起始位

当不传输数据时， UART 数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送UART 会将传输线从高电平拉到低电平并保持1 个时钟周期。

当接收 UART 检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。

3.2、数据位

数据帧包含所传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是5 位到 8 位。如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是9 位。

在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。

3.3、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。

校验位可以配置成 1 位偶校验或 1 位奇校验或无校验位。

接收UART 读取数据帧后，将统计数值为 1 的位，检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0 （偶数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为 1 （奇数奇偶校验），则数据帧中的1 或逻辑高位总计应为奇数。

当奇偶校验位与数据匹配时，UART 认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为0 ，而总和为奇数，或者奇偶校验位为 1 ，而总和为偶数，则UART 认为数据帧中的位已改变。

3.4、停止位

为了表示数据包结束，发送 UART 将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1 到 2 位时间。

4、UART通信步骤

第1步：数据从数据总线到发送器。

第2步：发送 UART 将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧。

第3步：从起始位到结束位，整个数据包以串行方式从发送器送至接收 器 。

接收 UART 以预配置的波特率对数据线进行采样。

第4步：接收 器 丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位。

第5步：接收 器 将串行数据转换回并行数据，并将其传输到接收端的数据总线。

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拓展学习：

1、一文搞懂SPI通信协议

2、一文搞懂I2C总线通信

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4、 一文搞懂PID控制算法 

5、一文搞懂TCP的三次握手和四次挥手 

6、一文搞懂图像二值化算法 

7、 一文搞懂步进电机特性、原理及驱动器设计 

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9、ADI期刊-UART：了解通用异步接收器-发送器的硬件通信协议