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UART串行通信协议功能框图_帧结构_标准规范

IC先生 IC先生 677 2023-03-01 15:37:52

对于以前老旧的计算机部件,例如打印机、鼠标、键盘,一般需要借助连接器进行连接,而计算机与这些部件之间的通信过程可以使用UART协议完成。尽管现在通用串行总线 (USB)协议改变了计算机上的各种通信原理。但是,UART协议仍然用于上述声明的应用程序。

由于串行通信协议,目前几乎所有类型的微控制器架构都具有内置的UART硬件,并且仅使用两根电缆进行通信,一个用于发送数据,另一个用于接收数据。

当下,UART是一种简单而可靠的通信协议,并且易于实现,因此被广泛应用于各种嵌入式系统和电子设备中,如计算机、智能手机、电视机和汽车等。

什么UART串口协议? 

UART的完整形式是通用异步接收器/发送器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),它是微控制器中的内置集成电路,但是与I2C和SPI通信协议有一定的区别。

UART的主要功能是进行串行数据通信。在UART协议中,两个设备之间的通信可以通过两种方式完成,即串行和并行数据通信。

UART协议

串行和并行通信

在串行数据通信中,数据可以通过单根电缆或线路以逐位的形式传输,而且只需要两根电缆。与并行通信相比,串行数据通信并不昂贵。它需要非常少的电路和电线。因此,与并行通信相比,这种通信在复合电路中非常有用。

在并行数据通信中,数据可以同时通过多条电缆传输。并行数据通信既昂贵又非常快,因为它需要额外的硬件和电缆。这种通信的最好例子是旧打印机、PCI、RAM等。

并行数据通信

功能框图

UART框图由两个组件组成,即发送器和接收器,如下图所示。发送器部分包括三个块,即发送保持寄存器、移位寄存器和控制逻辑。同样,接收器部分包括接收保持寄存器、移位寄存器和控制逻辑。这两个部分通常由波特率发生器提供,该发生器用于在发射器部分和接收器部分必须发送或接收数据时产生速度。

发送器中的保持寄存器包含要发送的数据字节。发送器和接收器中的移位寄存器将位向右或向左移动,直到发送或接收一个字节的数据。读取(或)写入控制逻辑用于告知何时读取或写入。

发送器和接收器之间的波特率发生器产生的速度范围从110 bps到230400 bps。通常情况下,微控制器的波特率为9600到115200。

功能框图

什么是波特率?

在电子通信领域,波特(Baud)即调制速率,指的是有效数据讯号调制载波的速率,即单位时间内载波调制状态变化的次数。波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数,它是对符号传输速率的一种度量,它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示,1波特即指每秒传输1个符号。

数据传输速率使用波特率来表示。单位bps(bits per second),常见的波特率9600bps、115200bps等,其以上标准的波特率是1200、2400、4800、19200、38400、57600。

UART通信

在这种通信中,有两种类型的UART可用,即发送UART和接收UART,这两者之间的通信可以直接由对方完成。为此,只需要两根电缆即可在两个UART之间进行通信。数据流将来自UART的发送 (Tx) 和接收 (Rx) 引脚。在UART中,从Tx UART到Rx UART的数据传输可以异步完成(没有用于同步o/p位的CLK信号)。

UART的数据传输可以通过单片机,存储器,CPU等其他设备以并行的形式使用数据总线来完成。从总线接收到并行数据后,它通过添加三个位形成数据包像开始、停止和奇偶校验。它逐位读取数据包,并将接收到的数据转换为并行形式,以消除数据包的三位。

综上所述,UART接收到的数据包向接收端的数据总线并行传输。

UART通信

起始位 

起始位也称为同步位,位于实际数据之前。一般情况下,非活动数据传输线被控制在高电压电平。为了开始数据传输,发送方将数据线从高电压电平(1)转到低电压电平(0)。接收方注意到数据线上从高电平到低电平的转换,并开始理解真实数据。注意,只有一个起始位。

停止位 

停止位位于数据包的末尾。通常情况下位长是2位,但通常只使用1位。为了停止广播,UART将数据线保持在高电压状态。

奇偶校验位 

奇偶校验位让接收端确定采集到的数据是否正确。它是一个低级故障检查系统,奇偶校验位有两个范围,例如偶校验和奇校验。实际上,这个位没有被广泛使用,所以它不是强制性的。

数据位

数据位包括从发送方传送到接收方的真实数据。数据帧长度可以在5和8之间。如果不使用奇偶校验位,则数据帧长度可以是9位长。一般情况下,先发送最低位最后发送最高位,使用低电平表示‘0’高电平表示‘1’完成数据位的传输。

传输方向

即数据是从高位(MSB)开始传输还是从低位(LSB)开始传输。

功能特点 

UART功能特点主要表现在以下几个方面,具体如下:

  • 数据通信只需要两根线。
  • 不需要CLK信号。
  • 包括一个奇偶校验位,可用于检查错误。
  • 可以修改数据包排列,因为两个表面都为它排列。
  • 数据帧大小最大为9位。
  • 不包含多个从(或)主系统
  • 每个UART波特率应该在彼此的10%。

UART协议规范

UART是一种串行通信协议,用于在微处理器和其他设备之间传输数据。下面是UART协议规范的一些基本要点:

  1. 帧格式:将数据分为连续的帧,每帧由一个起始位、8位数据位、一个奇偶校验位和一个或多个停止位组成。

  2. 波特率:使用波特率(或速率)来指定数据传输速度。常用的波特率有9600、19200、38400、57600、115200等。

  3. 数据位:每个UART帧包含8位数据位,这些位可以表示ASCII字符或二进制数据。

  4. 校验位:通常使用奇偶校验来检查传输数据的完整性。如果奇偶校验位与数据位的奇偶性不同,则表示数据传输存在错误。

  5. 停止位:使用一个或多个停止位来指定数据帧的结束。常用的停止位包括1个停止位和2个停止位。

  6. 数据流控制:可以使用硬件或软件流控制来控制数据的流动。硬件流控制使用RTS(请求发送)和CTS(清除发送)信号,而软件流控制使用XON和XOFF字符。

  7. 错误检测:可以检测数据传输中的错误,例如帧错误、奇偶校验错误和溢出错误等。

总之,UART通信协议是一种简单但广泛使用的串行通信协议,用于在微处理器和其它设备之间传输数据,而了解UART协议规范对于嵌入式系统的开发和调试非常重要。

UART接口

下图显示了UART与微控制器的接口。UART通信可以使用三个信号完成,包括TXD、RXD和GND。

通过使用它,可以从8051微控制器板以及UART模块在个人计算机中显示文本。805板子上有UART0和UART1两个串口。这里使用了UART0接口。Tx 引脚将信息传输到PC,Rx引脚从PC接收信息。波特率可用于表示微控制器和PC的速度。当单片机和PC的波特率相近时,才能正常发送和接收数据。

UART接口

主要应用 

UART协议通常用于满足具体要求的微控制器,这些也可用于各种通信设备,如无线通信、GPS单元、蓝牙模块和许多其他应用。以下是其一些常见的应用:

  1. 电脑外设设备:键盘、鼠标、打印机、扫描仪等设备,通过UART与计算机进行通信。
  2. 通信设备:调制解调器、路由器、网桥、交换机等通信设备,通过UART与计算机或其他通信设备进行通信。
  3. 嵌入式系统:嵌入式系统中经常需要与外部设备进行通信,UART成为嵌入式系统中非常常见的通信协议,常用于与传感器、执行器等设备通信。
  4. 汽车电子:汽车电子控制单元(ECU)中的各种传感器和执行器之间需要进行通信,UART 也成为了汽车电子控制系统中的重要通信协议之一。
  5. 工业控制:PLC、变频器、仪表等工业控制设备需要与其他设备进行通信,UART 也成为了工业控制中的重要通信协议之一。

需要注意的是,除RS232外,UART还使用RS422和TIA等通信标准。通常,UART是用于UART串行通信的独立IC

UART和USART的区别

UART是一种串行通信协议,它通过串行方式将数据发送到另一个设备,不需要时钟信号,数据传输速度较慢。

USART是通用同步异步收发器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)的缩写,以上是一种可以同时支持同步和异步通信协议的串行通信协议,可以使用时钟信号提高数据传输速率。

因此,UART和USART之间的主要区别在于USART可以支持同步通信协议,而UART只能支持异步通信协议。此外,USART还具有更高的传输速率和更多的控制选项,不过需要更多的硬件资源支持。

总结

UART是一种常见的串行通信协议,它通过发送和接收位序列来传输数据。UART的传输速率是可变的,并且可以通过调整波特率来设置数据传输速度。UART的数据帧包括起始位、数据位、可选的校验位和停止位。起始位是指发送的数据位序列的第一个位,它用于通知接收器数据帧的开始。停止位用于通知接收器数据帧的结束。

UART通常使用半双工模式,这意味着每个时刻只能发送或接收数据。此外,它还支持全双工模式,其中可以同时进行发送和接收数据。

目前UART在各种领域都有着广泛的应用,它是一种可靠、成本低廉、易于实现的串行通信协议。

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