嵌入式经典总线协议 UART

我是吃货

UART（通用异步收发器），这是用于全双工串行通信的最常见协议。它是设计用于执行异步通信的单个LSI（大规模集成）芯片。该设备将数据从一个系统发送到另一系统。在本文中，英锐恩单片机开发工程师将介绍UART通信的基础知识以及UART的工作原理。

什么是UART？

“ UART”代表通用异步收发器。它是微控制器内部的硬件**设备。UART的功能是将传入和传出的数据转换为串行二进制流。使用串行到并行转换将从**设备接收的8位串行数据转换为并行形式，使用串行到并行转换将从CPU接收的并行数据转换为并行形式。该数据以调制形式存在，并以定义的波特率传输。

为什么要使用UART？

诸如SPI（串行**接口）和USB（通用串行总线）之类的协议用于快速通信。当不需要高速数据传输时，使用UART。它是带有单个发送器/接收器的廉价通信设备。它需要一根导线来传输数据，而需要另一根导线来接收数据。

可以使用RS232-TTL转换器或USB-TTL转换器将其与PC（个人计算机）接口。RS232和UART之间的共同点是它们都不需要时钟来发送和接收数据。Uart帧由1个起始位，1个或2个停止位以及一个用于串行数据传输的奇偶校验位组成。

UART框图

UART由以下核心组件组成。它们是发送器和接收器。发送器由发送保持寄存器，发送移位寄存器和控制逻辑组成。类似地，接收器由接收保持寄存器，接收器移位寄存器和控制逻辑组成。通常，发送器和接收器都配有波特率发生器。

波特率发生器生成发送器和接收器必须发送/接收数据的速度。发送保持寄存器包含要发送的数据字节。发送移位寄存器和接收移位寄存器将这些位向左或向右移位，直到发送/接收一个字节的数据为止。

除了这些，还提供了读或写控制逻辑以告知何时进行读/写。波特率发生器产生的速度范围从110 bps（每秒比特）到230400。大多数情况下，微控制器提供更高的波特率，例如115200和57600，以实现更快的数据传输。GPS和GSM等设备在4800和9600中使用较低的波特率。

一、UART如何工作？

要了解UART的工作原理，您需要了解串行通信的基本功能。简而言之，发送器和接收器使用开始位，停止位和定时参数相互同步。原始数据为并行形式。例如，我们有4位数据，要将其转换为串行形式，我们需要并行到串行转换器。通常，D触发器或锁存器用于设计转换器。

（1）D–触发器的工作

D触发器也称为数据触发器，当且仅当时钟将时钟从高态转换为低电平或从低态转换为高态时，才从输入侧向输出侧移位一位。同样，如果要传输四位数据，则??需要4个触发器。

注意，在这里：

“D”代表输入数据。
“CLK”表示时钟脉冲。
“Q”表示输出数据。现在，让我们设计一个并行到串行和串行到并行转换器。

（2）并行到串行转换

步骤1：

取4个触发器。触发器的数量等于要发送的位数。同样，将多路复用器放在每个触发器的前面，但不包括第一个。放置一个多路复用器以合并数据并将其转换为串行位。它有两个输入，一个并行位数据，另一个来自前一个触发器。

第2步：

现在，一次在D个触发器中加载数据。它将拉出并行数据，并移动最后一个触发器的最后一位（四个），然后是第三位，第二位，最后是第一位。现在，为了将并行数据转换为串行形式，使用了串行到并行转换器。

（3）串行到并行转换

步骤1：

取4个触发器。触发器的数量与要发送的位数相同。

步骤2：

最初，禁用并行总线。直到所有位都加载后才启用。将数据存储在第一个触发器的输入处。现在将时钟设为高电平，这会将最低有效位移至第二个触发器的输入和第一个触发器的输出。同样，通过使时钟脉冲为高，将所有位一一移位。转换器处于保持状态，直到所有位都传输到输出为止。

步骤3：

现在，每个触发器都包含一位串行数据。同时，所有位都传送到触发器输出，使能总线。这将使转换器一次发送所有位。

（4）协议格式

UART从起始位“0”开始通信。起始位启动串行数据的传输，终止位结束数据事务。

它还具有奇偶校验位（偶数或奇数）。偶校验位由“0”（偶数1）表示，奇校验位由“1”（偶数1）表示。

（5）传输

使用单条传输线（TxD）完成数据传输。在这里，“0”被认为是空格，而“1”被认为是标记状态。

发送器一次发送一位。发送一位后，发送下一位。这样，所有数据位都以预定义的波特率发送到接收器。传输每个位会有一定的延迟。例如，要以9600波特率发送一个字节的数据，则每个比特以108微秒的延迟发送。数据添加有奇偶校验位。因此，需要10位数据才能发送7位数据。注意：在发送时，始终首先发送LSB（最低有效位）。

（6）接收帧

在接收过程中，RxD线（接收器）用于接收数据。

（7）UART接口示例

本示例演示了esp8266 UART与MAX232的接口。但是，在介绍接口细节之前，让我分享一下Max232驱动程序的引脚细节。

MAX232 IC由5V电源供电，该电源包括一个电容电压发生器，用于驱动232电平电压。它带有双发送器，也称为驱动器（TIN，TOUT）和接收器（RIN和ROUT）。

在这里，我使用了内置UART的ESP8266（32位微控制器）。ESP8266可以使用AT指令通过RS232到TTL电平转换器（MAX232）进行通信。下图显示了ESP8266与PC（个人计算机）的连接。

通过通过PC请求有效的AT命令，WiFi芯片将以确认响应。我不想深入了解ESP8266，在以后的教程中将对此进行解释。

以下是与PC进行串行通信的步骤。

1.将ESP8266的发射器（TX）连接到RS232的接收器（TX）到TTL电平转换器（MAX232）和PC的RX。
2.将ESP8266的接收器（RX）连接到PC的TX和TTL转换器的RX。

（8）UART与USART

USART是UART的基本形式。从技术上讲，它们是不同的。但是，两者的定义相同。这些是微控制器外设，可将并行数据转换为串行位，反之亦然。

（9）UART的优点与缺点

1.优点

UART的优点是，它支持使用两条线的全双工通信。而且，它不需要外部时钟就可以进行数据通信。它支持使用奇偶校验位进行错误检查，并且可以轻松更改数据长度。

2.缺点

UART的主要缺点是，它不支持多从机或多主机配置。并且，数据分组的大小被限制为9位。UART不适合在高能耗下进行繁重的串行通信。

（10）应用领域

1.串行调试端口使用UART驱动程序来打印来自外部世界的数据。
2.我们可以使用它来向嵌入式设备发送命令和从嵌入式设备接收命令。
3.在通讯GPS，GSM / GPRS调制解调器，Wi-Fi芯片等与UART操作。
4.在大型机访问中用于连接不同的计算机。