UART 串口詳解：概念、工作原理及 RS-232 對比

1. 引言

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器）是一種用于串行通信的硬件模塊，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。UART 串口能夠以異步方式在兩臺設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，不需要共享時(shí)鐘信號，只需發(fā)送端和接收端使用相同的波特率進(jìn)行通信。

很多人會(huì)把 UART 與 RS-232 混為一談，實(shí)際上它們并不完全相同。UART 僅僅是一種串行通信的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而 RS-232 是一種物理層協(xié)議，它可以使用 UART 作為其底層通信方式。因此，了解 UART 和 RS-232 的區(qū)別對于深入理解串行通信至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹 UART 的基本概念、工作原理、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、常見參數(shù)及其與 RS-232 的區(qū)別。

2. UART 串口的基本概念

UART 是一種異步串行通信協(xié)議，它的核心功能是將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送，并在接收端將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)。UART 通信時(shí)，每次發(fā)送一個(gè)字節(jié)（8 位），通過 TX（發(fā)送）和 RX（接收）兩根信號線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要額外的時(shí)鐘信號線，因此屬于異步通信方式。

UART 通常用于短距離低速通信，例如單片機(jī)與傳感器之間的通信、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信等。由于其簡單易用，UART 被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

3. UART 的工作原理

UART 的核心功能是收發(fā)數(shù)據(jù)，其基本工作流程如下：

1. 數(shù)據(jù)加載：發(fā)送端（TX）從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并將其存入 UART 發(fā)送緩沖區(qū)。

2. 串行轉(zhuǎn)換：UART 發(fā)送端將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行格式，并添加起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位（可選）和停止位。

3. 數(shù)據(jù)傳輸：UART 發(fā)送端通過 TX 線路發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端（RX）監(jiān)聽 TX 線路，并接收數(shù)據(jù)流。

4. 數(shù)據(jù)解析：接收端 UART 移除起始位、停止位，并進(jìn)行校驗(yàn)（如啟用了校驗(yàn)位）。

5. 數(shù)據(jù)輸出：接收端 UART 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行格式，并存入 UART 接收緩沖區(qū)，供 CPU 或 MCU 讀取。

UART 是全雙工通信模式，即 TX 和 RX 可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，因此能支持雙向通信。

4. UART 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

UART 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常以幀（Frame）為單位，每一幀的結(jié)構(gòu)如下：

• 起始位（Start Bit）：1 位，始終為低電平（0），用于通知接收端開始傳輸數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)位（Data Bits）：通常為 5~8 位，表示實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

• 校驗(yàn)位（Parity Bit）（可選）：用于檢測數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)，可以選擇偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或無校驗(yàn)。

• 停止位（Stop Bit）：1~2 位，始終為高電平（1），用于指示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

例如，一個(gè)常見的 UART 配置是 8N1，表示 8 位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位（N）、1 位停止位（1）。

5. UART 的關(guān)鍵參數(shù)

UART 通信的性能受多個(gè)參數(shù)影響，常見的關(guān)鍵參數(shù)如下：

1. 波特率（Baud Rate）：表示每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，例如 9600、115200 bps。發(fā)送端和接收端必須使用相同的波特率，否則通信無法正常進(jìn)行。

2. 數(shù)據(jù)位（Data Bits）：常見的設(shè)置包括 5、6、7 或 8 位，通常使用 8 位數(shù)據(jù)位。

3. 停止位（Stop Bits）：可以是 1 或 2 位，增加停止位可以提高接收端同步的可靠性。

4. 校驗(yàn)位（Parity Bit）：可選的錯(cuò)誤檢測機(jī)制，包括無校驗(yàn)（None）、偶校驗(yàn)（Even）和奇校驗(yàn)（Odd）。

5. 流控（Flow Control）：用于控制數(shù)據(jù)流的機(jī)制，包括硬件流控（RTS/CTS）和軟件流控（XON/XOFF）。

6. UART 串口與 RS-232 的區(qū)別

盡管 UART 和 RS-232 常常一起出現(xiàn)，但它們是不同的概念：

從表格可以看出，UART 是一種通信方式，而 RS-232 是一種標(biāo)準(zhǔn)的物理層協(xié)議。由于 UART 通常使用 TTL 電平（如 3.3V 或 5V），而 RS-232 使用更高的正負(fù)電壓，因此如果要讓 MCU 直接與 RS-232 設(shè)備通信，通常需要使用 MAX232 之類的電平轉(zhuǎn)換芯片。

7. UART 的應(yīng)用場景

由于 UART 具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，它在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，包括：

1. 單片機(jī)與外設(shè)通信：如 MCU 與 GPS、GSM 模塊、藍(lán)牙模塊等通信。

2. 計(jì)算機(jī)串口通信：PC 通過 USB 轉(zhuǎn)串口（如 CP2102、CH340G）與嵌入式設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

3. 工業(yè)控制：如 PLC、工業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)采集和控制。

4. 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：如 Wi-Fi 模塊（ESP8266、ESP32）和 ZigBee 模塊（CC2530）之間的通信。

5. 機(jī)器人系統(tǒng)：機(jī)器人控制器與各種傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的通信。

8. UART 的優(yōu)缺點(diǎn)

UART 作為一種常見的串行通信協(xié)議，具有以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

• 硬件結(jié)構(gòu)簡單，只需 TX、RX 兩根線即可實(shí)現(xiàn)通信。

• 不需要時(shí)鐘同步，減少了硬件復(fù)雜性。

• 傳輸距離可達(dá)數(shù)十米（適當(dāng)降低波特率可進(jìn)一步延長）。

• 廣泛兼容，支持各種微控制器和外設(shè)設(shè)備。

缺點(diǎn)：

• 傳輸速率受限，一般最高 1Mbps，無法與 SPI、I2C 等高速總線相比。

• 僅支持點(diǎn)對點(diǎn)通信，不支持多設(shè)備總線連接。

• 無內(nèi)置糾錯(cuò)機(jī)制，數(shù)據(jù)可靠性不如 CAN、USB 等協(xié)議。

9. 結(jié)論

UART 串口是一種廣泛使用的異步串行通信協(xié)議，常用于嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)通信和工業(yè)控制領(lǐng)域。它通過 TX 和 RX 兩條信號線完成數(shù)據(jù)收發(fā)，并具有簡單、低成本的優(yōu)點(diǎn)。盡管 UART 可以作為 RS-232 的底層通信方式，但兩者在電平標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用場景上有所不同，需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片才能兼容。

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，UART 仍然是最常見的串行通信方式之一，尤其在嵌入式設(shè)備調(diào)試、物聯(lián)網(wǎng)通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。