了解UART串口通信

2021-01-22

UART，即通用異步接收器-發送器，是最常用的設備到設備通信協議之一。本文介紹如何通過遵循標準過程將UART用作硬件通信協議。

正確配置后，UART可以使用許多不同類型的串行協議，這些協議涉及發送和接收串行數據。在串行通信中，使用一條線或一條線一點一點地傳輸數據。在雙向通信中，我們使用兩根線來成功進行串行數據傳輸。根據應用和系統要求，串行通信需要較少的電路和電線，從而降低了實施成本。

在本文中，我們將討論使用UART時的基本原理，重點是數據包傳輸，標準幀協議和自定義幀協議，這些協議是實現時（特別是在代碼開發期間）安全合規性的增值功能。在產品開發過程中，本文檔還旨在在檢查數據表中的實際用法時共享一些基本步驟。

在本文的最后，目標是更好地理解和遵守UART標準，以最大程度地發揮其功能和應用程序，特別是在開發新產品時。

通信協議在組織設備之間的通信中扮演著重要角色。它根據系統要求以不同的方式進行設計，并且這些協議具有在設備之間達成一致以實現成功通信的特定規則。

嵌入式系統，微控制器和計算機大多使用UART作為設備到設備硬件通信協議的一種形式。在可用的通信協議中，UART僅使用兩條線作為其發送和接收端。

盡管它是硬件通信協議的一種廣泛使用的方法，但并非一直都在對其進行完全優化。在微控制器內部使用UART模塊時，通常會忽略幀協議的正確實現。

根據定義，UART是一種硬件通信協議，它以可配置的速度使用異步串行通信。異步意味著沒有時鐘信號來同步從發送設備到接收端的輸出位。

接口

每個UART設備的兩個信號分別命名為：

發射器（Tx）

接收器（Rx）

每個設備的發送器和接收器線的主要目的是發送和接收用于串行通信的串行數據。

圖2.帶有數據總線的UART。

發送UART連接到以并行形式發送數據的控制數據總線。由此，數據現在將在傳輸線（導線）上一點一點地串行傳輸到接收UART。反過來，這會將串行數據轉換為接收設備的并行數據。

UART線用作通信介質，以將一個數據發送到另一個。請注意，UART器件具有專用于發送或接收的發送和接收引腳。

對于UART和大多數串行通信，需要在發送和接收設備上將波特率設置為相同。波特率是信息傳輸到通信信道的速率。在串行端口環境中，設置的波特率將用作每秒傳輸的最大位數。

表1總結了我們必須了解的UART。

表1. UART摘要

電線	2
速度	9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800、921600、1000000、1500000
傳播方式	異步
碩士總數	1個
最大從站數	1個

UART接口不使用時鐘信號來同步發送器和接收器設備。它異步傳輸數據。當接收器使用其內部時鐘信號采樣輸入數據時，發送器將根據其時鐘信號生成比特流，而不是時鐘信號。通過在兩個設備上具有相同的波特率來管理同步點。否則可能會影響發送和接收數據的時間，從而導致數據處理過程中的差異。在位的時序變得太遠之前，波特率的允許差異最大為10％。

資料傳輸

在UART中，傳輸模式為數據包形式。連接發送器和接收器的部分包括創建串行數據包并控制這些物理硬件線路。數據包由起始位，數據幀，奇偶校驗位和停止位組成。

圖3. UART數據包。

起始位

UART數據傳輸線通常在不傳輸數據時保持在高電壓電平。為了開始數據傳輸，發送UART在一（1）個時鐘周期內將傳輸線從高電平拉低到低電平。當接收UART檢測到高電壓到低電壓轉換時，它開始以波特率的頻率讀取數據幀中的位。

圖4.起始位。

數據框

數據幀包含正在傳輸的實際數據。如果使用奇偶校驗位，則可以是五（5）位，最多八（8）位。如果不使用奇偶校驗位，則數據幀的長度可以為九（9）位。在大多數情況下，數據首先以最低有效位發送。

圖5.數據框。

平價

奇偶性描述數字的偶數或奇數。奇偶校驗位是接收UART判斷傳輸期間是否有任何數據更改的方式?？梢酝ㄟ^電磁輻射，不匹配的波特率或長距離數據傳輸來更改位。

接收UART讀取數據幀后，它將對值為1的位數進行計數，并檢查總數是偶數還是奇數。如果奇偶校驗位為0（偶數奇偶校驗），則數據幀中的1或邏輯高位應總計為偶數。如果奇偶校驗位為1（奇校驗），則數據幀中的1位或邏輯高電平應總計為奇數。

當奇偶校驗位與數據匹配時，UART知道傳輸沒有錯誤。但是，如果奇偶校驗位為0，總和為奇數，或者奇偶校驗位為1，總和為偶數，則UART知道數據幀中的位已更改。

圖6.奇偶校驗位。

停止位

為了向數據包的結尾發出信號，發送UART將數據傳輸線從低電壓驅動到高電壓持續一（1）到兩（2）位。

圖7.停止位。

UART傳輸步驟

首先：發送UART從數據總線并行接收數據。

圖8.到發送UART的數據總線。

第二：發送UART將起始位，奇偶校驗位和停止位添加到數據幀。

圖9. Tx端的UART數據幀。

第三：從發送UART的起始位到停止位，整個數據包從發送UART到接收UART依次發送。接收UART以預配置的波特率對數據線進行采樣。

圖10. UART傳輸。

第四：接收UART丟棄數據幀中的起始位，奇偶校驗位和停止位。

圖11. Rx側的UART數據幀。

第五：接收UART將串行數據轉換回并行數據，并將其傳輸到接收端的數據總線。

圖12.接收UART到數據總線。

框架協議

UART中可用但尚未完全使用的一項關鍵功能是幀協議的實現。其主要用途和重要性是每臺設備的安全性和保護性的附加值。

例如，當兩個設備使用相同的UART幀協議時，有一種趨勢是，在不檢查配置的情況下連接到同一UART時，該設備將連接到不同的引腳，這可能會導致系統故障。

另一方面，由于需要根據設計框架協議解析接收到的信息，因此實現此操作可確保安全性。每個幀協議都經過專門設計，以確保唯一性和安全性。

在設計幀協議時，設計人員可以將所需的標頭和標頭（包括CRC）設置到不同的設備。在圖13中，將兩（2）個字節設置為標頭的一部分。

第二：在內存映射下，檢查UART地址。

圖13.示例UART幀協議。

根據示例，您可以設置設備獨有的標頭，尾部和CRC。

標頭1（H1為0xAB）和標頭2（H2為0xCD）

標頭是確定您是否與之通信的唯一標識符

正確的設備。

命令（CMD）選擇

命令將取決于旨在創建兩個設備之間的通信的命令列表。

每個命令的數據長度（DL）

數據長度將基于所選命令。您可以根據所選擇的命令來最大化數據長度，因此它可以根據選擇而變化。在這種情況下，可以調整數據長度。

數據n（變化數據）

數據是要從設備傳輸的有效負載。

尾部1（T1為0xE1）和尾部2（T2為0xE2）

尾部是在傳輸結束后添加的數據。就像標題一樣，它們可以唯一地標識。

循環冗余校驗（CRC公式）

循環冗余校驗公式是一種附加的錯誤檢測模式，用于檢測原始數據的意外更改。發送設備的CRC值必須始終等于接收器端的CRC計算值。

建議通過為每個UART設備實現幀協議來增加安全性。幀協議在發送和接收設備上都需要相同的配置。

UART操作

使用任何硬件通信協議時，必須先閱讀數據表和硬件參考手冊。

以下是要遵循的步驟：

首先：檢查設備的數據表接口。

圖15.微處理器內存映射。

第三：檢查UART端口的詳細信息，例如操作模式，數據位長度，奇偶校驗位和停止位。數據手冊中的示例UART端口詳細信息：

UART端口
示例MCU提供了一個全雙工UART端口，該端口與PC標準UART完全兼容。UART端口為其他外圍設備或主機提供了簡化的UART接口，支持全雙工，DMA和串行數據的異步傳輸。UART端口支持五到八個數據位，無奇偶校驗。幀以一個半或兩個停止位終止。

第四：檢查UART操作細節，包括波特率計算。波特率使用以下示例公式配置。該公式因微控制器而異。

UART操作的示例詳細信息：

5至8個數據位

1、2或1和?個停止位

無，甚至奇偶校驗

可編程過采樣率分別為4，8，16，32

波特率= PCLK /（（（M + N / 2048）×2 OSR + 2 ×DIV

哪里，

OSR（過采樣率）
UART_LCR2.OSR = 0至3
DIV（波特率分頻器）
UART_DIV = 1至65535
M（DIVM分數波特率M）
UART_FBR.DIVM = 1至3
N（DIVM分數波特率M）
UART_FBR.DIVN = 0至2047

第五：關于波特率，請確保檢查要使用的外設時鐘（PCLK）。在此示例中，有26 MHz PCLK和16 MHz PCLK可用。請注意，OSR，DIV，DIVM和DIVN隨設備而異。

表2.基于26 MHz PCLK的波特率示例

波特率	OSR	DIV	虛擬機	迪文
9600	3	24	3	1078
115200	3	4	1個	1563

表3.基于16 MHz PCLK的波特率示例

波特率	OSR	DIV	虛擬機	迪文
9600	3	17	3	1078
115200	3	2	2	348

第六：下一部分是檢查UART配置的詳細寄存器。看一下計算波特率時的參數，例如UART_LCR2，UART_DIV和UART_FBR。表4將列出一個特定的寄存器。

表4. UART寄存器說明

名稱	描述
UART_DIV	波特率分頻器
UART_FIBR	小數波特率
UART_LCR2	二線控制

第七：在每個寄存器下，檢查詳細信息并用值替代波特率，然后開始實現UART。

它為什么如此重要？

在開發強大的，質量驅動的產品時，熟悉UART通信協議非常有幫助。知道如何僅使用兩條線發送數據，以及如何傳輸整包數據或有效載荷，將有助于確保正確無誤地傳輸和接收數據。由于UART是最常用的硬件通信協議，因此該知識可以在將來的設計中實現設計靈活性。

用例

您可以將UART用于許多應用程序，例如：

調試：在開發過程中及早發現系統錯誤很重要。在這種情況下，添加UART可以通過捕獲系統消息來提供幫助。

制造功能級別跟蹤：日志在制造中非常重要。他們通過提醒操作員生產線上正在發生的事情來確定功能。

客戶或客戶更新：軟件更新非常重要。具有完整的，具有可更新功能的軟件的動態硬件對于擁有完整的系統至關重要。

測試/驗證：在產品離開制造過程之前對其進行驗證有助于為客戶提供最優質的產品。