UART（通用異步收發(fā)器），這是用于全雙工串行通信的最常見(jiàn)協(xié)議。它是設(shè)計(jì)用于執(zhí)行異步通信的單個(gè)LSI（大規(guī)模集成）芯片。該設(shè)備將數(shù)據(jù)從一個(gè)系統(tǒng)發(fā)送到另一系統(tǒng)。在本文中，英銳恩單片機(jī)開(kāi)發(fā)工程師將介紹UART通信的基礎(chǔ)知識(shí)以及UART的工作原理。

什么是UART？

“ UART”代表通用異步收發(fā)器。它是微控制器內(nèi)部的硬件外圍設(shè)備。UART的功能是將傳入和傳出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行二進(jìn)制流。使用串行到并行轉(zhuǎn)換將從外圍設(shè)備接收的8位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行形式，使用串行到并行轉(zhuǎn)換將從CPU接收的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行形式。該數(shù)據(jù)以調(diào)制形式存在，并以定義的波特率傳輸。

為什么要使用UART？

諸如SPI（串行外圍接口）和USB（通用串行總線）之類的協(xié)議用于快速通信。當(dāng)不需要高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使用UART。它是帶有單個(gè)發(fā)送器/接收器的廉價(jià)通信設(shè)備。它需要一根導(dǎo)線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，而需要另一根導(dǎo)線來(lái)接收數(shù)據(jù)。

可以使用RS232-TTL轉(zhuǎn)換器或USB-TTL轉(zhuǎn)換器將其與PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）接口。RS232和UART之間的共同點(diǎn)是它們都不需要時(shí)鐘來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。Uart幀由1個(gè)起始位，1個(gè)或2個(gè)停止位以及一個(gè)用于串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠媾夹ｒ?yàn)位組成。

UART框圖

UART由以下核心組件組成。它們是發(fā)送器和接收器。發(fā)送器由發(fā)送保持寄存器，發(fā)送移位寄存器和控制邏輯組成。類似地，接收器由接收保持寄存器，接收器移位寄存器和控制邏輯組成。通常，發(fā)送器和接收器都配有波特率發(fā)生器。

波特率發(fā)生器生成發(fā)送器和接收器必須發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的速度。發(fā)送保持寄存器包含要發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。發(fā)送移位寄存器和接收移位寄存器將這些位向左或向右移位，直到發(fā)送/接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)為止。

除了這些，還提供了讀或?qū)懣刂七壿嬕愿嬷螘r(shí)進(jìn)行讀/寫(xiě)。波特率發(fā)生器產(chǎn)生的速度范圍從110 bps（每秒比特）到230400。大多數(shù)情況下，微控制器提供更高的波特率，例如115200和57600，以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。GPS和GSM等設(shè)備在4800和9600中使用較低的波特率。

一、UART如何工作？

要了解UART的工作原理，您需要了解串行通信的基本功能。簡(jiǎn)而言之，發(fā)送器和接收器使用開(kāi)始位，停止位和定時(shí)參數(shù)相互同步。原始數(shù)據(jù)為并行形式。例如，我們有4位數(shù)據(jù)，要將其轉(zhuǎn)換為串行形式，我們需要并行到串行轉(zhuǎn)換器。通常，D觸發(fā)器或鎖存器用于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器。

（1）D–觸發(fā)器的工作

D觸發(fā)器也稱為數(shù)據(jù)觸發(fā)器，當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)鐘將時(shí)鐘從高態(tài)轉(zhuǎn)換為低電平或從低態(tài)轉(zhuǎn)換為高態(tài)時(shí)，才從輸入側(cè)向輸出側(cè)移位一位。同樣，如果要傳輸四位數(shù)據(jù)，則??需要4個(gè)觸發(fā)器。

注意，在這里：

“D”代表輸入數(shù)據(jù)。
“CLK”表示時(shí)鐘脈沖。
“Q”表示輸出數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，讓我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)并行到串行和串行到并行轉(zhuǎn)換器。

（2）并行到串行轉(zhuǎn)換

步驟1：

取4個(gè)觸發(fā)器。觸發(fā)器的數(shù)量等于要發(fā)送的位數(shù)。同樣，將多路復(fù)用器放在每個(gè)觸發(fā)器的前面，但不包括第一個(gè)。放置一個(gè)多路復(fù)用器以合并數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為串行位。它有兩個(gè)輸入，一個(gè)并行位數(shù)據(jù)，另一個(gè)來(lái)自前一個(gè)觸發(fā)器。

第2步：

現(xiàn)在，一次在D個(gè)觸發(fā)器中加載數(shù)據(jù)。它將拉出并行數(shù)據(jù)，并移動(dòng)最后一個(gè)觸發(fā)器的最后一位（四個(gè)），然后是第三位，第二位，最后是第一位?，F(xiàn)在，為了將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行形式，使用了串行到并行轉(zhuǎn)換器。

（3）串行到并行轉(zhuǎn)換

步驟1：

取4個(gè)觸發(fā)器。觸發(fā)器的數(shù)量與要發(fā)送的位數(shù)相同。

步驟2：

最初，禁用并行總線。直到所有位都加載后才啟用。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在第一個(gè)觸發(fā)器的輸入處。現(xiàn)在將時(shí)鐘設(shè)為高電平，這會(huì)將最低有效位移至第二個(gè)觸發(fā)器的輸入和第一個(gè)觸發(fā)器的輸出。同樣，通過(guò)使時(shí)鐘脈沖為高，將所有位一一移位。轉(zhuǎn)換器處于保持狀態(tài)，直到所有位都傳輸?shù)捷敵鰹橹埂?br/>
步驟3：

現(xiàn)在，每個(gè)觸發(fā)器都包含一位串行數(shù)據(jù)。同時(shí)，所有位都傳送到觸發(fā)器輸出，使能總線。這將使轉(zhuǎn)換器一次發(fā)送所有位。

（4）協(xié)議格式

UART從起始位“0”開(kāi)始通信。起始位啟動(dòng)串行數(shù)據(jù)的傳輸，終止位結(jié)束數(shù)據(jù)事務(wù)。

它還具有奇偶校驗(yàn)位（偶數(shù)或奇數(shù)）。偶校驗(yàn)位由“0”（偶數(shù)1）表示，奇校驗(yàn)位由“1”（偶數(shù)1）表示。

（5）傳輸

使用單條傳輸線（TxD）完成數(shù)據(jù)傳輸。在這里，“0”被認(rèn)為是空格，而“1”被認(rèn)為是標(biāo)記狀態(tài)。

發(fā)送器一次發(fā)送一位。發(fā)送一位后，發(fā)送下一位。這樣，所有數(shù)據(jù)位都以預(yù)定義的波特率發(fā)送到接收器。傳輸每個(gè)位會(huì)有一定的延遲。例如，要以9600波特率發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，則每個(gè)比特以108微秒的延遲發(fā)送。數(shù)據(jù)添加有奇偶校驗(yàn)位。因此，需要10位數(shù)據(jù)才能發(fā)送7位數(shù)據(jù)。注意：在發(fā)送時(shí)，始終首先發(fā)送LSB（最低有效位）。

（6）接收幀

在接收過(guò)程中，RxD線（接收器）用于接收數(shù)據(jù)。

（7）UART接口示例

本示例演示了ESP8266 UART與MAX232的接口。但是，在介紹接口細(xì)節(jié)之前，讓我分享一下Max232驅(qū)動(dòng)程序的引腳細(xì)節(jié)。

MAX232 IC由5V電源供電，該電源包括一個(gè)電容電壓發(fā)生器，用于驅(qū)動(dòng)232電平電壓。它帶有雙發(fā)送器，也稱為驅(qū)動(dòng)器（TIN，TOUT）和接收器（RIN和ROUT）。

在這里，我使用了內(nèi)置UART的ESP8266（32位微控制器）。ESP8266可以使用AT指令通過(guò)RS232到TTL電平轉(zhuǎn)換器（MAX232）進(jìn)行通信。下圖顯示了ESP8266與PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）的連接。

通過(guò)通過(guò)PC請(qǐng)求有效的AT命令，WiFi芯片將以確認(rèn)響應(yīng)。我不想深入了解ESP8266，在以后的教程中將對(duì)此進(jìn)行解釋。

以下是與PC進(jìn)行串行通信的步驟。

1.將ESP8266的發(fā)射器（TX）連接到RS232的接收器（TX）到TTL電平轉(zhuǎn)換器（MAX232）和PC的RX。
2.將ESP8266的接收器（RX）連接到PC的TX和TTL轉(zhuǎn)換器的RX。

（8）UART與USART

USART是UART的基本形式。從技術(shù)上講，它們是不同的。但是，兩者的定義相同。這些是微控制器外設(shè)，可將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行位，反之亦然。

（9）UART的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)

UART的優(yōu)點(diǎn)是，它支持使用兩條線的全雙工通信。而且，它不需要外部時(shí)鐘就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它支持使用奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，并且可以輕松更改數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

2.缺點(diǎn)

UART的主要缺點(diǎn)是，它不支持多從機(jī)或多主機(jī)配置。并且，數(shù)據(jù)分組的大小被限制為9位。UART不適合在高能耗下進(jìn)行繁重的串行通信。

（10）應(yīng)用領(lǐng)域

1.串行調(diào)試端口使用UART驅(qū)動(dòng)程序來(lái)打印來(lái)自外部世界的數(shù)據(jù)。
2.我們可以使用它來(lái)向嵌入式設(shè)備發(fā)送命令和從嵌入式設(shè)備接收命令。
3.在通訊GPS，GSM / GPRS調(diào)制解調(diào)器，Wi-Fi芯片等與UART操作。
4.在大型機(jī)訪問(wèn)中用于連接不同的計(jì)算機(jī)。

以上就是英銳恩單片機(jī)開(kāi)發(fā)工程師分享的UART通信協(xié)議與單片機(jī)UART的工作原理。