收藏 | 电子通信协议之UART通信协议篇

 

 

还记得以前打印机、鼠标和调制解调器都会带有那些笨拙的连接器的粗电缆的时代吗?从字面上来解读,就是必须拧入您的计算机的那些?这些设备可能正在使用UART协议与您的计算机进行通信。尽管USB几乎完全取代了那些旧的电缆和连接器,但是UART绝不会是一个过时的东西。您会发现许多DIY电子项目中仍然使用UART将GPS模块、蓝牙模块和RFID读卡器模块连接到Raspberry Pi、Arduino或者其他微控制器。

UART代表通用异步接收器/发送器。它不是像SPI和I2C这样的通信协议,而是微控制器中的物理电路或独立的IC。UART的主要目的是发送和接收串行数据。

关于UART最好的一点是其仅使用两条线在设备之间传输数据。UART的原理很容易理解,但是如果您还没有阅读本系列的第一部分,那么SPI通信协议的基础知识可能会是一个不错的起点。

UART通信导论
在UART通信中,两个UART直接相互通信。发送UART将来自控制设备(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,然后由接收UART将串行数据转换回并行数据以用于接收设备。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:
UART异步传输数据意味着没有时钟信号使发送UART的输出位与接收UART采样位同步。发送UART取代了时钟信号,将开始位和停止位添加到正在传输的数据包中。这些位定义了数据包的开始和结束,因此接收UART知道何时开始读取这些位。
当接收UART检测到起始位时,它将开始以称为波特率的特定频率读取输入位。波特率是数据传输速度的度量,以每秒的比特位(bps)表示。两个UART必须以大约相同的波特率工作。在位的时序变得太远之前,发送和接收UART之间的波特率只能相差约10%。
另外,还必须将两个UART配置为发送和接收相同的数据包结构。
使用的信号线
2
最大传输速度
最高可达15200波特的速度,通常速度为9600波特
同步/异步
异步
串行/并行
串行
最大主设备数
1
最大从设备数
1
 UART是如何工作的?
将要发送数据的UART从数据总线接收数据。数据总线用于通过其他设备(例如CPU、内存或微控制器)将数据发送到UART。数据以并行形式从数据总线传输到发送UART。发送UART从数据总线获取并行数据后,它将添加起始位、奇偶校验位和停止位,以创建数据包。接着,数据包在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。然后,接收UART将数据转换回并行形式,并删除起始位、奇偶校验位和停止位。最后,接收UART将数据包并行传输到接收端的数据总线:
UART传输的数据被组织成数据包,每个数据包包含1个起始位、5到9个数据位(取决于UART)、1个可选奇偶校验位,以及1个或2个停止位

 

 

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。为了开始数据的传输,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的转换时,它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。
数据帧
数据帧包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位,则数据帧的长度可以是5位,最多可达8位。如果不使用奇偶校验位,则数据帧的长度可以为9位。在大多数情况下,数据首先以最低有效位发送
奇偶校验位
奇偶校验描述一个数的性质,分为偶数或奇数。奇偶校验位是接收UART判断在传输期间是否有任何数据更改的一种方式。可以通过电磁辐射、不匹配的波特率或长距离数据传输来更改位。在接收UART读取数据帧后,它将对值为1的位数进行计数,并检查其总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0(偶校验),则数据帧中的1位应总计为偶数。如果奇偶校验位为1(奇校验),则数据帧中的1位应总计为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时,UART知道传输没有错误。但是,如果奇偶校验位为0,且总数为奇数;或者如果奇偶校验位为1,且总数为偶数,则UART知道数据帧中的位已经更改。
停止位
为了向数据包的结尾发出信号,发送UART在至少两个位的持续时间内将数据传输线从低电压驱动到高电压。
UART传输的步骤:
  1. 发送UART从数据总线并行接收数据:

 

  1. 发送UART将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧:

 

3.整个包从发送UART串行发送到接收UART。接收UART以预先配置的波特率对数据线进行采样:

 

 

4.接收UART丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位:

 

 

5.接收UART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:

 

 

UART的优缺点
没有哪种通信协议是完美的,但是UART非常擅长于它们的工作。以下是一些优缺点,可帮助您确定它们是否符合您的项目需求:
优点
  • 仅使用两根传输线
  • 无需时钟信号
  • 具有奇偶校验位以允许进行错误检查
  • 只要双方都设置好数据包的结构,即可改变其数据包结构
  • 有完整的文档且是可广泛使用的方法
缺点
  • 数据帧的大小最大为9位
  • 不支持多个从属系统或多个主系统
  • 每个UART的波特率必须在彼此的10%之内
继续阅读本系列的第3部分“I2C通信协议基础”,了解电子设备进行通信的另一种方式。或者,如果您还没有阅读第1部分,请查看SPI通信协议的基础知识。
系列回顾:
收藏 | 电子通信协议之SPI通信协议篇

参考原文:http://www.circuitbasics.com/basics-uart-communication/

 

 

扫描上图二维码可直达课程页面,马上试听

往期精彩:

获取验证通关密语,就在本周日开班的验证V2课程

30w+还送股送房?60+IC企业2019薪资全面攀升!

UVM RAL模型:用法和应用

我们准备做第二期线下培训,依旧认真且严肃

如果你突然被裁员了,你的Plan B是什么?

[彩虹糖带你入门UVM]

理解UVM-1.2到IEEE1800.2的变化,掌握这3点就够

 

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注