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UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter#xff0c;通用异步收发传输器)是一种常见的串行通信协议#xff0c;用于设备之间的异步串行数据传输。它使用简单的两根线(TX和RX)进行全双工通信#xff0c;不需要时钟信号#xff0c;依靠预定义的波特率实现…1. 概述
UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步收发传输器)是一种常见的串行通信协议用于设备之间的异步串行数据传输。它使用简单的两根线(TX和RX)进行全双工通信不需要时钟信号依靠预定义的波特率实现数据同步。
2. 主要特性 异步通信不需要时钟信号 全双工传输可同时发送和接收数据 可配置参数 波特率(300bps-4Mbps常见) 数据位(5-9位) 停止位(1,1.5,2位) 校验位(无校验、奇校验、偶校验) 简单实现仅需TX、RX和地线即可工作
3. 硬件接口
标准UART接口包含以下信号线
信号名称描述TX数据发送线RX数据接收线GND公共地线
注有些实现可能包含硬件流控制信号(CTS/RTS)
4. 数据帧格式
一个标准的UART数据帧包含以下部分 起始位1位逻辑低电平标志数据帧开始 数据位5-9位实际传输的数据(通常8位) 校验位可选用于错误检测(奇校验或偶校验) 停止位1、1.5或2位逻辑高电平标志数据帧结束
5. 波特率计算
波特率表示每秒传输的符号数(包括起始位、数据位、校验位和停止位)。
常用波特率300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 57600, 115200等。
波特率计算公式实际波特率 系统时钟频率 / (16 × UARTDIV)
其中UARTDIV是分频系数通常存储在波特率寄存器中。
6. 典型工作流程
发送流程 配置波特率、数据位、停止位和校验位 等待发送缓冲区为空 将数据写入发送数据寄存器 硬件自动添加起始位、停止位和校验位(如启用) 通过TX引脚串行发送数据
接收流程 配置波特率、数据位、停止位和校验位(需与发送方匹配) 检测RX引脚上的起始位(下降沿) 按照波特率采样数据位 检查校验位(如启用) 检测停止位 将接收到的数据存入接收缓冲区 触发接收完成中断或设置状态标志
7. 错误检测
UART通常支持以下错误检测机制 奇偶校验错误接收到的数据与校验位不匹配 帧错误未检测到有效的停止位 溢出错误新数据到达时前一个数据未被读取 欠载错误发送缓冲区为空时仍需发送数据
8. 软件实现示例
以下是基于C语言的UART初始化示例(伪代码)
// UART初始化函数
void UART_Init(uint32_t baudrate) {// 1. 计算波特率分频值uint16_t uart_div SYSTEM_CLOCK / (16 * baudrate);// 2. 禁用UARTUART-CR1 ~UART_ENABLE;// 3. 设置波特率UART-BRR uart_div;// 4. 配置数据格式: 8位数据无校验1位停止位UART-CR1 ~(PARITY_ENABLE | DATA_BITS_9);// 5. 启用发送和接收UART-CR1 | (TX_ENABLE | RX_ENABLE);// 6. 启用UARTUART-CR1 | UART_ENABLE;
}// 发送单个字节
void UART_SendByte(uint8_t data) {while(!(UART-SR TX_BUFFER_EMPTY)); // 等待发送缓冲区空UART-DR data; // 写入数据寄存器
}// 接收单个字节
uint8_t UART_ReceiveByte(void) {while(!(UART-SR RX_DATA_READY)); // 等待数据到达return UART-DR; // 读取数据寄存器
}
9. 应用场景 微控制器与PC通信 嵌入式设备间的简单数据交换 调试信息输出 与GPS模块、蓝牙模块等外设通信 工业控制设备的简单接口
10. 优缺点分析
优点 实现简单硬件要求低 全双工通信 不需要时钟信号 广泛支持几乎所有微控制器都内置UART
缺点 传输速率相对较低 传输距离有限(通常不超过15米) 没有硬件寻址机制点对点通信 没有内置的错误纠正机制
11. 常见问题与解决方案 通信失败 检查波特率、数据格式是否匹配 确认TX/RX线是否交叉连接 检查地线连接 数据错误 降低波特率特别是长距离通信时 启用奇偶校验 检查系统时钟精度 通信不稳定 添加适当的终端电阻 使用屏蔽电缆减少干扰 考虑使用RS-232或RS-485转换芯片增强信号
12. 相关标准与扩展 RS-232UART的电气标准定义电压电平(-3V至-15V表示13V至15V表示0) RS-422/RS-485差分信号标准支持更远距离和更高速度 USB转UART通过USB接口实现UART功能(如FT232、CP2102等芯片) 软件UART通过GPIO模拟UART协议(bit-banging)
附录A常用波特率与传输时间
在UART通信中一个字节的数据(8位) 在传输时会被封装成10位(或更多)的帧这是因为UART协议添加了额外的控制位
波特率传输1字节(10位)时间96001.04ms192000.52ms384000.26ms576000.17ms1152000.087ms
附录BUART与其他串行协议比较
特性UARTSPII2C同步方式异步同步同步信号线数量2(TX,RX)3(SCK,MOSI,MISO)2(SDA,SCL)最大速率4Mbps50Mbps3.4Mbps寻址能力无无有全双工是是半双工
13、STM32的串口资源介绍
串口的硬件连接非常简单简单的双向串口通信有两根通信线发送端TX和接收端RXTX和RX需要交叉连接当只需要单向的数据传输时可以只接一根通常线当两个设备的电平标准不一致时需要加电平转换芯片。 什么是电平标准
电平标准是数据1和数据0的表达方式是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系串口常用的电平标准有如下三种
TTL电平3.3V或者5V表示10V表示0
RS232电平-3~-15V表示13~15V表示0
RS485电平两线压差2~6V表示1-2~-6V表示0差分信号
