了解UART串口通信

2021-01-22

UART，即通用異步接收器-發(fā)送器，是最常用的設備到設備通信協(xié)議之一。本文介紹如何通過(guò)遵循標準過(guò)程將UART用作硬件通信協(xié)議。

正確配置后，UART可以使用許多不同類(lèi)型的串行協(xié)議，這些協(xié)議涉及發(fā)送和接收串行數據。在串行通信中，使用一條線(xiàn)或一條線(xiàn)一點(diǎn)一點(diǎn)地傳輸數據。在雙向通信中，我們使用兩根線(xiàn)來(lái)成功進(jìn)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(xiàn)，從而降低了實(shí)施成本。

在本文中，我們將討論使用UART時(shí)的基本原理，重點(diǎn)是數據包傳輸，標準幀協(xié)議和自定義幀協(xié)議，這些協(xié)議是實(shí)現時(shí)（特別是在代碼開(kāi)發(fā)期間）安全合規性的增值功能。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，本文檔還旨在在檢查數據表中的實(shí)際用法時(shí)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(fā)揮其功能和應用程序，特別是在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)。

通信協(xié)議在組織設備之間的通信中扮演著(zhù)重要角色。它根據系統要求以不同的方式進(jìn)行設計，并且這些協(xié)議具有在設備之間達成一致以實(shí)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(xié)議的一種形式。在可用的通信協(xié)議中，UART僅使用兩條線(xiàn)作為其發(fā)送和接收端。

盡管它是硬件通信協(xié)議的一種廣泛使用的方法，但并非一直都在對其進(jìn)行完全優(yōu)化。在微控制器內部使用UART模塊時(shí)，通常會(huì )忽略幀協(xié)議的正確實(shí)現。

根據定義，UART是一種硬件通信協(xié)議，它以可配置的速度使用異步串行通信。異步意味著(zhù)沒(méi)有時(shí)鐘信號來(lái)同步從發(fā)送設備到接收端的輸出位。

接口

每個(gè)UART設備的兩個(gè)信號分別命名為：

發(fā)射器（Tx）

接收器（Rx）

每個(gè)設備的發(fā)送器和接收器線(xiàn)的主要目的是發(fā)送和接收用于串行通信的串行數據。

圖2.帶有數據總線(xiàn)的UART。

發(fā)送UART連接到以并行形式發(fā)送數據的控制數據總線(xiàn)。由此，數據現在將在傳輸線(xiàn)（導線(xiàn)）上一點(diǎn)一點(diǎn)地串行傳輸到接收UART。反過(guò)來(lái)，這會(huì )將串行數據轉換為接收設備的并行數據。

UART線(xiàn)用作通信介質(zhì)，以將一個(gè)數據發(fā)送到另一個(gè)。請注意，UART器件具有專(zhuān)用于發(fā)送或接收的發(fā)送和接收引腳。

對于UART和大多數串行通信，需要在發(fā)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(huán)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(xiàn)	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(gè)
最大從站數	1個(gè)

UART接口不使用時(shí)鐘信號來(lái)同步發(fā)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(shí)鐘信號采樣輸入數據時(shí)，發(fā)送器將根據其時(shí)鐘信號生成比特流，而不是時(shí)鐘信號。通過(guò)在兩個(gè)設備上具有相同的波特率來(lái)管理同步點(diǎn)。否則可能會(huì )影響發(fā)送和接收數據的時(shí)間，從而導致數據處理過(guò)程中的差異。在位的時(shí)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(fā)送器和接收器的部分包括創(chuàng )建串行數據包并控制這些物理硬件線(xiàn)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(xiàn)通常在不傳輸數據時(shí)保持在高電壓電平。為了開(kāi)始數據傳輸，發(fā)送UART在一（1）個(gè)時(shí)鐘周期內將傳輸線(xiàn)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(shí)，它開(kāi)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(shí)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(cháng)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(fā)送。

圖5.數據框。

平價(jià)

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^(guò)電磁輻射，不匹配的波特率或長(cháng)距離數據傳輸來(lái)更改位。

接收UART讀取數據幀后，它將對值為1的位數進(jìn)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(shí)，UART知道傳輸沒(méi)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(fā)出信號，發(fā)送UART將數據傳輸線(xiàn)從低電壓驅動(dòng)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(fā)送UART從數據總線(xiàn)并行接收數據。

圖8.到發(fā)送UART的數據總線(xiàn)。

第二：發(fā)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(fā)送UART的起始位到停止位，整個(gè)數據包從發(fā)送UART到接收UART依次發(fā)送。接收UART以預配置的波特率對數據線(xiàn)進(jìn)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(xiàn)。

圖12.接收UART到數據總線(xiàn)。

框架協(xié)議

UART中可用但尚未完全使用的一項關(guān)鍵功能是幀協(xié)議的實(shí)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(gè)設備使用相同的UART幀協(xié)議時(shí)，有一種趨勢是，在不檢查配置的情況下連接到同一UART時(shí)，該設備將連接到不同的引腳，這可能會(huì )導致系統故障。

另一方面，由于需要根據設計框架協(xié)議解析接收到的信息，因此實(shí)現此操作可確保安全性。每個(gè)幀協(xié)議都經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計，以確保唯一性和安全性。

在設計幀協(xié)議時(shí)，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(gè)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(xié)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(chuàng )建兩個(gè)設備之間的通信的命令列表。

每個(gè)命令的數據長(cháng)度（DL）

數據長(cháng)度將基于所選命令。您可以根據所選擇的命令來(lái)最大化數據長(cháng)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(cháng)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(huán)冗余校驗（CRC公式）

循環(huán)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(fā)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(guò)為每個(gè)UART設備實(shí)現幀協(xié)議來(lái)增加安全性。幀協(xié)議在發(fā)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(xié)議時(shí)，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(cháng)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(gè)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(jiǎn)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(gè)數據位，無(wú)奇偶校驗。幀以一個(gè)半或兩個(gè)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(gè)數據位

1、2或1和?個(gè)停止位

無(wú)，甚至奇偶校驗

可編程過(guò)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(guò)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(guān)于波特率，請確保檢查要使用的外設時(shí)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(gè)	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?？匆幌掠嬎悴ㄌ芈蕰r(shí)的參數，例如UART_LCR2，UART_DIV和UART_FBR。表4將列出一個(gè)特定的寄存器。

表4. UART寄存器說(shuō)明

名稱(chēng)	描述
UART_DIV	波特率分頻器
UART_FIBR	小數波特率
UART_LCR2	二線(xiàn)控制

第七：在每個(gè)寄存器下，檢查詳細信息并用值替代波特率，然后開(kāi)始實(shí)現UART。

它為什么如此重要？

在開(kāi)發(fā)強大的，質(zhì)量驅動(dòng)的產(chǎn)品時(shí)，熟悉UART通信協(xié)議非常有幫助。知道如何僅使用兩條線(xiàn)發(fā)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(wú)誤地傳輸和接收數據。由于UART是最常用的硬件通信協(xié)議，因此該知識可以在將來(lái)的設計中實(shí)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(kāi)發(fā)過(guò)程中及早發(fā)現系統錯誤很重要。在這種情況下，添加UART可以通過(guò)捕獲系統消息來(lái)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(guò)提醒操作員生產(chǎn)線(xiàn)上正在發(fā)生的事情來(lái)確定功能。

客戶(hù)或客戶(hù)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(dòng)態(tài)硬件對于擁有完整的系統至關(guān)重要。

測試/驗證：在產(chǎn)品離開(kāi)制造過(guò)程之前對其進(jìn)行驗證有助于為客戶(hù)提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。