UART通信的異步通信機(jī)制詳解

UART，即通用異步接收器/發(fā)送器，是最常用的設(shè)備間通信協(xié)議之一，正確配置后，UART可以配合許多不同類型的涉及發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)的串行協(xié)議工作。在串行通信中，數(shù)據(jù)通過單條線路或?qū)Ь€逐位傳輸。在雙向通信中，我們使用兩根導(dǎo)線來進(jìn)行連續(xù)的串行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)要求，串行通信需要的電路和導(dǎo)線較少，可降低實(shí)現(xiàn)成本。

本文將UART用作硬件通信協(xié)議應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行說明，討論使用UART的基本原則，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)包傳輸、標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議和定制幀協(xié)議;定制幀協(xié)議將是安全合規(guī)性方面的增值特性，尤其是在代碼開發(fā)期間。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，本文還將分享一些基本步驟，以檢查數(shù)據(jù)表的實(shí)際使用，目標(biāo)是幫助更好地理解和遵循UART標(biāo)準(zhǔn)，以便最大程度地發(fā)揮其能力和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，特別是在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)。

通信協(xié)議

通信協(xié)議在組織設(shè)備之間的通信時(shí)扮演著重要角色。它基于系統(tǒng)要求而以不同方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。此類協(xié)議具有特定的規(guī)則，為實(shí)現(xiàn)成功通信，不同設(shè)備都遵循該規(guī)則。

根據(jù)定義，UART是一種硬件通信協(xié)議，以可配置的速度使用異步串行通信。異步意味著沒有時(shí)鐘信號(hào)來同步從發(fā)送設(shè)備進(jìn)入接收端的輸出位。

嵌入式系統(tǒng)、微控制器和計(jì)算機(jī)大多將UART作為設(shè)備間硬件通信協(xié)議的一種形式。在可用通信協(xié)議中，UART的發(fā)送和接收端僅使用兩條線。盡管它是一種廣泛使用的硬件通信方法，但它并非在所有時(shí)候都是完全優(yōu)化的。在微控制器內(nèi)部使用UART模塊時(shí)，通常會(huì)忽略幀協(xié)議的適當(dāng)實(shí)現(xiàn)。

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器)是一種常用的串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)或各種嵌入式設(shè)備之間的通信。本文將詳細(xì)介紹UART通信的基本原理、工作模式、波特率計(jì)算以及常見使用方式，幫助有一定單片機(jī)開發(fā)能力的人群更好地理解和應(yīng)用UART通信。

一、UART通信的異步通信機(jī)制

UART通信是一種異步串行通信方式，其基本原理是通過數(shù)據(jù)線上傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)位。UART通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端和接收端兩部分組成，它們之間通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)，然后通過驅(qū)動(dòng)電路將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)，并通過發(fā)送電路將串行信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)線上。接收端則通過接收電路將數(shù)據(jù)線上的信號(hào)還原為并行信號(hào)，再通過解碼電路將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)位。

UART通信采用異步通信方式，即發(fā)送端和接收端之間通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在異步通信中，發(fā)送端和接收端不需要同時(shí)處于激活狀態(tài)，而是通過起始位和停止位來標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。具體來說，當(dāng)發(fā)送端產(chǎn)生起始位后，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位;然后等待接收端的起始位，如果接收到起始位，則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)位;如果沒有接收到起始位，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀傳輸失敗。同樣，當(dāng)接收端產(chǎn)生停止位后，發(fā)送一個(gè)校驗(yàn)位;然后等待發(fā)送端的停止位，如果接收到停止位，則認(rèn)為數(shù)據(jù)幀傳輸成功。

二、UART的波特率

波特率表示單位時(shí)間內(nèi)通過線路傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用bps(bits per second)表示。例如，如果波特率為9600bps，則每秒鐘可以傳輸9600個(gè)比特位的數(shù)據(jù)。

串口傳輸數(shù)據(jù)的波特率是單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)來產(chǎn)生的，因此它和單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘存在算式關(guān)系。

波特率= (16 * 時(shí)鐘頻率) / (32 * 采樣時(shí)間) + (1 * 時(shí)鐘頻率) / (32 * 采樣時(shí)間) - (1 * 時(shí)鐘頻率) / (64 * 采樣時(shí)間)

其中，采樣時(shí)間指從上一次起始位到本次起始位之間的時(shí)間間隔。例如，如果采樣時(shí)間為10ns，則波特率為9600bps。

常見的波特率有2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200……它們都可是2400的整數(shù)倍，因此不同的波特率可以通過分頻器來產(chǎn)生?，F(xiàn)在的單片機(jī)雖然都有著不同的頻率，常見的有32MHz、48MHz和144MHz，通常它們都會(huì)有一個(gè)外部系統(tǒng)時(shí)鐘為單片機(jī)的外圍設(shè)備提供基礎(chǔ)時(shí)鐘頻率(如1MHz)，UART產(chǎn)生波特率也是從該時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。

需要注意的是，在實(shí)際使用中，時(shí)鐘頻率可能會(huì)受到一些因素的影響，如晶振漂移、電源噪聲等。因此，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性，建議在設(shè)計(jì)UART通信系統(tǒng)時(shí)使用外部晶振或時(shí)鐘發(fā)生器，并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

三、停止位和奇偶校驗(yàn)

在UART異步通信中，停止位用于表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。停止位可以是1個(gè)或2個(gè)比特位。當(dāng)停止位為1個(gè)比特位時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的后面都添加一個(gè)額外的時(shí)間間隔，以補(bǔ)償時(shí)鐘抖動(dòng)和其他因素引起的誤差。例如，如果波特率為9600bps，則每個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔為4ms，因此每個(gè)停止位的時(shí)間間隔為4ms / 8 = 0.5ms。

當(dāng)停止位為2個(gè)比特位時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的后面都添加兩個(gè)額外的時(shí)間間隔，即每個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔為4ms / (8 + 4) = 0.3125ms。這種模式適用于需要更高精度的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。

奇偶校驗(yàn)是一種常用的錯(cuò)誤檢測(cè)方法，可以檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤和丟失。在UART通信中，可以通過設(shè)置奇偶校驗(yàn)位來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。

需要注意的是，奇偶校驗(yàn)位只能檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤和丟失，而不能保證數(shù)據(jù)的完整性和正確性。因此，在使用UART通信時(shí)，還需要采取其他措施來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。

四、UART的輪詢收發(fā)和中斷收發(fā)

前面我們講過，UART通信就是把一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)拆分成若干bit位，然后一個(gè)bit一個(gè)bit的發(fā)送。當(dāng)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)被送進(jìn)UART發(fā)送器后，這個(gè)字節(jié)被轉(zhuǎn)換成bit位，UART發(fā)送這個(gè)字節(jié)后還要產(chǎn)生停止位，此時(shí)UART發(fā)送器已經(jīng)空閑，可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。通常UART發(fā)送器發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空閑狀態(tài)，輪詢式發(fā)送就是等待這個(gè)空閑狀態(tài)并發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。UART接收也是如此，UART接收器收完一個(gè)字節(jié)并收到停止位信號(hào)時(shí)，就會(huì)向單片機(jī)的UART數(shù)據(jù)寄存器保存剛收到的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生一個(gè)收到標(biāo)志位，輪詢?cè)摌?biāo)志位就可以接收到該字節(jié)數(shù)據(jù)。

但是在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常不止UART收發(fā)應(yīng)用，這時(shí)就要用到中斷收發(fā)。通常單片機(jī)的UART收發(fā)都有RX收到中斷和TX完畢中斷。中斷發(fā)送時(shí)，UART發(fā)送器是空閑狀態(tài)，此時(shí)往發(fā)送器里面寫入第一個(gè)字節(jié)，該字節(jié)傳輸完畢后產(chǎn)生TX完畢中斷，在TX完畢中斷的服務(wù)函數(shù)中再填入后續(xù)字節(jié)并產(chǎn)生下一個(gè)中斷，最后直到把需要傳輸?shù)淖止?jié)都傳完為止。中斷接收時(shí)，UART接收器收到字節(jié)后會(huì)產(chǎn)生RX收到中斷，在RX收到中斷服務(wù)函數(shù)中讀取收到的字節(jié)，每次中斷時(shí)都讀取收到的字節(jié)。

五、帶數(shù)據(jù)緩存的UART收發(fā)

在很多單片機(jī)系統(tǒng)中，都會(huì)提供UART Read和UART Write這樣的接口函數(shù)。一些高級(jí)的單片機(jī)甚至還有UART Read Callback和UART Write Callback這樣的回調(diào)函數(shù)來收發(fā)數(shù)據(jù)。通常很多單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力相對(duì)UART通信來說要快得多，因此像采用上述接口函數(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)都使用了數(shù)據(jù)緩存來輔助UART收發(fā)。常見的UART收發(fā)方式有這幾種：