- 前言 -

開發(fā)中經常用到串口通訊，串即串行，顧名思義，是指數據在一根數據線上按照二進制的數位，從低到高位一位一位的傳輸。單片機中的串口有UART，USART。

UART/USART 在許多 DIY 電子項目中用于將 GPS 模塊、藍牙模塊、 RFID 讀卡器模塊等連接到Raspberry Pi、Arduino 或其他微控制器。

- UART -

UART介紹：

我們今天要介紹的UART，全稱Universal Asynchronous

Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器。使用TTL電平信號，和電腦的COM口（遵循RS-232）不同。它們之間不能直接通訊，需要在之間加入轉換器（如MAX232）。

Tips：

采用二進制來表示數據時：

TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）電平信號規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。

RS-232規(guī)定邏輯“1”的電平為-5V~-15 V，邏輯“0”的電平為+5 V～+15 V

UART工作原理：

和其它串口一樣，數據按照二進制從低位到高位一位一位的傳輸，能將要傳輸的數據在串行通信與并行通信之間加以轉換，能夠靈活地與外部設備進行全雙工數據交換。例如要傳輸一個字節(jié)的數據10001110，它是從低位0開始，一位一位的傳輸過去。

在 UART 通信中，兩個 UART 直接相互通信。發(fā)送端將來自控制設備（如 CPU）的并行數據轉換為串行形式，接著將其串行傳輸到接收端，然后接收端將串行數據轉換回并行數據以供接收設備使用。

數據從一個UART的發(fā)送引腳（Tx） 流向另一個UART的接收（Rx） 引腳：

UART通訊分類：

單工：UART只用Tx或Rx其中一根線進行通訊，也就是只作接收或發(fā)送；

半雙工：UART在同一時間，只用作發(fā)送或接收；

全雙工：UART在發(fā)送的同時，也可以接收；

UART波特率：

UART的波特率是指每秒傳輸的二進制位數（單位bps），比如9600bps,意思就是每秒鐘可以傳輸9600個位（bit）。

例如：設字符傳輸的速率為120字符/秒，而每1個字符為10位（bit），那么傳送的波特率為：10位/字符 * 120 字符/秒 = 1200 /秒 = 1200bps。那么每1位二進制位（bit）的傳送時間：

T = 1/1200 = 0.833ms

UART要求發(fā)送與接收兩個UART的波特率配置相同。如果發(fā)送與接收波特率不同，相差很大，接收端采樣點跨過多個電平，造成接收丟失，或者造成波特率不匹配，接收失敗，如下圖：

常見的波特率有9600、115200、128000、256000等。

- 通訊 -

通訊過程：

UART屬于異步傳輸數據，這意味著沒有時鐘信號將發(fā)送的位輸出與接收的位采樣同步，也就是發(fā)送與接收使用各自的時鐘。發(fā)送端將開始和停止位添加到傳輸的數據幀中，通過數據幀中定義的開始位和結束位，接收端知道何時開始讀取這些位。

每個數據幀包含 1 個起始位、5 到 9 個數據位（取決于 UART的設置，如果有奇偶校驗位是5到8，沒有則是5到9）、一個可選的奇偶校驗位和 1 個或 2 個停止位：

起始位：UART 數據傳輸線在不傳輸數據時通常保持在高電平。要開始發(fā)送數據時，發(fā)送端UART先在一個時鐘周期內將傳輸線從高電平拉到低電平。當接收端UART 檢測到從高到低的電壓轉換時，它開始以設置好的波特率的頻率讀取數據幀中的位。

數據：數據幀包含正在傳輸的實際數據。如果使用奇偶校驗位，它可以是 5 位到 8 位。如果不使用奇偶校驗位，則數據幀可以是 9 位。在大多數情況下，首先發(fā)送的數據是最低有效位。

校驗：奇偶校驗位是接收端UART 判斷數據在傳輸過程中是否發(fā)生變化的一種方式。位會因電磁輻射、不匹配的波特率或長距離數據傳輸而發(fā)生改變。接收端 UART 讀取數據幀后，檢查數據部分值為1的個數是奇數還是偶數。當奇偶校驗位與數據匹配時，UART 知道傳輸沒有錯誤。

停止：發(fā)送端UART 將數據傳輸線從低電平拉到高電平持續(xù)至少兩個位的時間來表示整個數據包的傳輸已經結束。

發(fā)送接收過程：

1.UART 從數據總線并行接收數據：

2.發(fā)送 UART 將起始位、奇偶校驗位和停止位添加到數據幀：

3.整個數據包從發(fā)送 UART 串行發(fā)送到接收 UART。接收 UART 以預配置的波特率對數據線進行采樣：

4.接收 UART 丟棄數據幀中的起始位、奇偶校驗位和停止位：

5.接收端 UART 將串行數據轉換回并行，并將其傳輸到接收端的數據總線：