UART（通用異步收發(fā)傳輸協(xié)議）是一種常用的串行通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、微控制器、嵌入式系統(tǒng)、通信設(shè)備等領(lǐng)域。其核心功能是通過異步方式在兩臺設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。UART協(xié)議不依賴于時鐘信號，而是通過起始位、數(shù)據(jù)位、停止位等方式來控制數(shù)據(jù)的傳輸和接收，具有硬件實(shí)現(xiàn)簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率較高、可配置性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文將詳細(xì)介紹UART協(xié)議的基礎(chǔ)知識，包括UART的工作原理、數(shù)據(jù)格式、傳輸過程、常見應(yīng)用等內(nèi)容。

一、UART協(xié)議概述

UART協(xié)議的全稱為Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即“通用異步收發(fā)傳輸協(xié)議”。它是一種基于串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，通過一對傳輸線（通常為TX和RX）在設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。UART協(xié)議的特點(diǎn)是使用異步通信模式，這意味著通信雙方無需共享時鐘信號，而是通過起始位和停止位來同步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

1.1 UART的工作模式

UART的工作模式是異步模式（Asynchronous Mode），即發(fā)送方和接收方不需要共享時鐘信號。通信的雙方通常會預(yù)設(shè)一個波特率（Baud Rate），并根據(jù)該速率通過起始位、數(shù)據(jù)位和停止位進(jìn)行同步傳輸。由于無需時鐘信號，UART非常適用于短距離的設(shè)備間通信。

1.2 UART通信的基本組成

UART協(xié)議的通信通常包括以下幾個基本組成部分：

• 數(shù)據(jù)線（TX/RX）：用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓷l線路，其中TX為發(fā)送線，RX為接收線。數(shù)據(jù)是通過這些線進(jìn)行串行傳輸?shù)摹?/span>

• 波特率（Baud Rate）：表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，單位為比特每秒（bps）。常見的波特率有9600、115200等，通信雙方必須設(shè)置相同的波特率才能正確傳輸數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)位（Data Bits）：每次傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)位數(shù)，常見的配置為5位、6位、7位和8位數(shù)據(jù)位，通常設(shè)置為8位。

• 停止位（Stop Bits）：數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束標(biāo)志，常見的停止位配置為1位、1.5位或2位。

• 校驗(yàn)位（Parity Bit）：用于錯誤檢測的附加位，可配置為偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或無校驗(yàn)。

二、UART通信的工作原理

UART通信是基于串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)是固定的。數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹硎牵喊l(fā)送方將數(shù)據(jù)按順序發(fā)送到接收方，接收方按照相同的波特率和數(shù)據(jù)格式逐位接收數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)正確接收，通信雙方使用起始位、數(shù)據(jù)位、停止位以及可選的校驗(yàn)位進(jìn)行同步和檢測。

2.1 數(shù)據(jù)的傳輸過程

在UART協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳輸是通過一位一位的串行方式進(jìn)行的。數(shù)據(jù)的傳輸過程如下：

• 起始位：數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始由起始位標(biāo)志。起始位通常是1位的低電平（0），用于同步發(fā)送方和接收方的時鐘。

• 數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位緊隨起始位之后，通常設(shè)置為8位數(shù)據(jù)，表示要傳輸?shù)挠行畔?。?shù)據(jù)位可以是任何有效的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

• 停止位：數(shù)據(jù)位之后是停止位，通常是1位或2位的高電平（1），表示數(shù)據(jù)的結(jié)束，接收方可以開始準(zhǔn)備接收下一組數(shù)據(jù)。

• 校驗(yàn)位（可選）：在數(shù)據(jù)位后，可以插入一個校驗(yàn)位，用于錯誤檢測。常見的校驗(yàn)方式包括奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)和無校驗(yàn)。

2.2 異步通信的特性

UART協(xié)議屬于異步通信協(xié)議，意味著發(fā)送方和接收方無需使用共享時鐘來同步傳輸。通過在每個數(shù)據(jù)包中加入起始位和停止位，接收方能夠在沒有外部時鐘信號的情況下識別數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束位置，從而正確接收數(shù)據(jù)。

三、UART通信的各項(xiàng)參數(shù)配置

在實(shí)際應(yīng)用中，UART協(xié)議的配置是根據(jù)具體的應(yīng)用需求來設(shè)定的。以下是UART協(xié)議的幾個重要參數(shù)，它們直接影響通信的穩(wěn)定性和效率。

3.1 波特率（Baud Rate）

波特率表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，單位為比特每秒（bps）。波特率的選擇會影響通信的速度和穩(wěn)定性，常見的波特率有9600、19200、38400、115200等。在通信開始之前，發(fā)送方和接收方必須預(yù)先設(shè)定相同的波特率，否則數(shù)據(jù)可能會丟失或出現(xiàn)錯誤。

3.2 數(shù)據(jù)位（Data Bits）

數(shù)據(jù)位是每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，通常設(shè)置為8位。常見的設(shè)置還有5位、6位、7位等。數(shù)據(jù)位的設(shè)置取決于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和所需的精度。

3.3 停止位（Stop Bits）

停止位用于標(biāo)記數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，常見的停止位配置有1位、1.5位和2位。停止位的數(shù)量越多，通信的可靠性越高，但也會增加傳輸?shù)臅r間。

3.4 校驗(yàn)位（Parity Bit）

校驗(yàn)位用于檢測傳輸過程中是否發(fā)生了錯誤。常見的校驗(yàn)方式有：

• 偶校驗(yàn)（Even Parity）：當(dāng)數(shù)據(jù)中1的個數(shù)為偶數(shù)時，校驗(yàn)位為0；為奇數(shù)時，校驗(yàn)位為1。

• 奇校驗(yàn)（Odd Parity）：當(dāng)數(shù)據(jù)中1的個數(shù)為奇數(shù)時，校驗(yàn)位為0；為偶數(shù)時，校驗(yàn)位為1。

• 無校驗(yàn)（No Parity）：沒有校驗(yàn)位。

校驗(yàn)位能幫助接收方檢測到單個錯誤，但不能糾正錯誤。

四、UART通信的應(yīng)用領(lǐng)域

UART協(xié)議由于其簡單、低成本和高效的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備和系統(tǒng)中。下面列舉了一些常見的UART應(yīng)用場景。

4.1 嵌入式系統(tǒng)

在嵌入式系統(tǒng)中，UART廣泛用于微控制器與外部設(shè)備（如傳感器、顯示器、調(diào)試器等）之間的通信。嵌入式設(shè)備通常需要與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，UART協(xié)議因其低功耗和簡便性成為首選通信方式。

4.2 串口調(diào)試

許多開發(fā)板和嵌入式設(shè)備提供了UART接口，用于調(diào)試和監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)。開發(fā)者可以通過串口連接計(jì)算機(jī)與嵌入式設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)時查看系統(tǒng)日志和調(diào)試信息。

4.3 無線通信

UART還被用于無線通信模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，如藍(lán)牙模塊、Wi-Fi模塊、LoRa模塊等。這些無線模塊通常通過UART接口與主控設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

4.4 工業(yè)控制

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，UART協(xié)議用于各類設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。例如，PLC（可編程邏輯控制器）與傳感器、執(zhí)行器、顯示設(shè)備等之間的通信，往往通過UART進(jìn)行。由于其可靠性和實(shí)時性，UART被廣泛應(yīng)用于自動化設(shè)備中。

4.5 計(jì)算機(jī)外設(shè)

許多外設(shè)設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等，也采用UART協(xié)議進(jìn)行通信。通過串口連接，計(jì)算機(jī)能夠與這些外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

五、UART協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)

5.1 優(yōu)點(diǎn)

• 簡單易用：UART通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡單，硬件設(shè)計(jì)成本低，適合嵌入式系統(tǒng)和低功耗設(shè)備。

• 無需時鐘信號：由于采用異步傳輸，UART無需外部時鐘信號，簡化了硬件設(shè)計(jì)。

• 靈活性高：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位均可配置，適應(yīng)不同應(yīng)用需求。

5.2 缺點(diǎn)

• 傳輸距離短：UART適合短距離通信，一般不超過15米，較長距離傳輸會受限。

• 傳輸速率有限：相較于其他協(xié)議（如SPI、I2C），UART的傳輸速率較低，雖然高波特率可提供較快的傳輸速度，但其性能依然有限。

• 不支持多設(shè)備通信：UART只能在兩臺設(shè)備之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信，不適合多設(shè)備連接。

六、總結(jié)

UART協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用的串行通信協(xié)議，具有簡單、靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)。它通過異步傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，依靠起始位、數(shù)據(jù)位、停止位以及可選的校驗(yàn)位來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。盡管UART有一定的傳輸距離和速率限制，但它依然在嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，UART協(xié)議的應(yīng)用場景將更加廣泛，成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可或缺的一部分。