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一文带你看透UART总线的工作原理

2020-09-18 14:04 来源:互联网 编辑:咩咩

还记得当年的打印机,鼠标和调制解调器吗?他们都有巨大笨重的连接器和粗电缆,并且必须拧到你的电脑上。这些设备正是使用 UART 协议与计算机进行通信。虽然 USB 几乎完全取代了旧的电缆和连接器,但 UART 绝对没有过时。您会发现目前许多项目中使用 UART 的 GPS 模块、蓝牙模块和 RFID 读卡器模块等连接到 Raspberry Pi,Arduino 或其他微控制器上。

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作 UART。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片,UART 通常被集成于其他通讯接口的连结上。

它不是像 SPI 和 I2C 这样的通信协议,而是微控制器中独立的物理电路或独立的 IC。

UART 最好的一点是它只使用两根线就可以在设备之间传输数据,UART 背后的原理很容易理解。

UART 通信简介

在 UART 通信中,两个 UART 直接相互通信。发送 UART 将来自 CPU 等控制设备的并行数据转换为串行形式,并将其串行发送到接收 UART,接收 UART 然后将串行数据转换回接收设备的并行数据。在两个 UART 之间传输数据只需要两根线。数据从发送 UART 的 Tx 引脚流向接收 UART 的 Rx 引脚:

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UART 以异步方式发送数据,这意味着没有时钟信号将发送 UART 的位输出与接收 UART 的位采样同步。发送 UART 不是时钟信号,而是将开始和停止位添加到正在传输的数据包中。这些位定义数据包的开始和结束,因此接收 UART 知道何时开始读取位。

当接收 UART 检测到起始位时,它开始以称为波特率的特定频率读取输入位。波特率是数据传输速度的度量,以每秒位数(bps)表示。两个 UART 必须以大致相同的波特率运行。发送和接收 UART 之间的波特率只能相差 10%左右。

两个 UART 还必须配置为发送和接收相同的数据包结构。

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UART 如何工作

UART 传输数据依靠的是 UART 总线,数据总线用于通过 CPU,存储器或微控制器等其他设备将数据发送到 UART。数据以并行形式从数据总线传输到发送 UART。在发送 UART 从数据总线获得并行数据之后,它将添加起始位,奇偶校验位和停止位,从而创建数据包。接下来,数据包在 Tx 引脚上逐位串行输出。UART 接收端则在其 Rx 引脚上逐位读取数据包。然后,接收 UART 将数据转换回并行形式,并删除起始位,奇偶校验位和停止位。最后,接收 UART 将数据包并行传输到接收端的数据总线:

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UART 传输的数据被组织成数据包。每个数据包包含 1 个起始位,5 到 9 个数据位(取决于 UART),可选的奇偶校验位以及 1 或 2 个停止位:

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开始位

当 UART 数据传输线不传输数据时,它通常保持在高电压电平。为了开始数据传输,发送 UART 将传输线从高电平拉至低电平一个时钟周期。当接收 UART 检测到高电压到低电压转换时,它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

数据框

数据框包含要传输的实际数据。如果使用奇偶校验位,则它可以是 5 位到 8 位长。如果不使用奇偶校验位,则数据帧可以是 9 位长。在大多数情况下,数据首先以最低有效位发送。

奇偶校验位

奇偶校验描述数字的均匀性或奇数。奇偶校验位是接收 UART 在传输过程中判断是否有任何数据发生变化的一种方法。电磁辐射、不匹配的波特率或长距离传输时,数据都有可能发生变化。接收 UART 读取数据帧后,它会计算值为 1 的位数,并检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为 0(偶校验),则数据帧中的 1 位应总计为偶数。如果奇偶校验位是 1(奇校验),则数据帧中的 1 位应总计为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时,UART 知道传输没有错误。但如果奇偶校验位为 0,然而 1 位应总计为奇数;或者奇偶校验位是 1,并且 1 位应总计是偶数,则数据帧中的位已经改变。

停止位

为了通知传输数据包的结束,UART 发送端会将数据传输线从低电压驱动至高电压至少两位持续时间。

UART 传输步骤

1. 发送 UART 从数据总线并行接收数据:

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2. 发送 UART 将起始位,奇偶校验位和停止位添加到数据帧:

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3. 整个数据包从发送 UART 串行发送到接收 UART。接收 UART 以预先配置的波特率对数据线进行采样:

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4. 接收 UART 丢弃数据帧中的起始位,奇偶校验位和停止位:

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5. 接收 UART 将串行数据转换回并行并将其传输到接收端的数据总线:

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UART 的优点和缺点

没有任何一种通信协议是完美的,以下是一些优点和缺点,可帮助您确定它们是否符合您项目的需求:

优点

只使用两根电线

不需要时钟信号

有一个奇偶校验位

只要双方设置后,就可以改变数据包的结构

有完整的文档并且具有广泛的使用

缺点

数据帧的大小限制为最多 9 位

不支持多个从属或多个主系统

每个 UART 的波特率必须在 10%之内

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