UART通信协议详解

最新推荐文章于 2025-11-17 20:43:23 发布

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UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 通用异步收发器）是一种异步串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统、工业控制、传感器通信等领域。以下从协议层、物理层、技术特点和代码示例四个维度展开详细说明。

UART协议层定义了数据传输的帧格式、时序规则和错误检测机制，其核心是异步通信，无需共享时钟信号。

每帧数据由以下部分组成（以最常见的8N1格式为例）：
在这里插入图片描述

起始位（Start Bit）
- 电平：低电平（逻辑0）
- 作用：标志数据帧开始，接收端通过检测下降沿触发同步。
数据位（Data Bits）
- 位数：5/6/7/8位（常用8位）
- 传输顺序：LSB（最低有效位）优先
- 示例：发送字符A（ASCII 0x41 = 01000001），实际传输顺序为1 0 0 0 0 0 1 0（从右到左）。

校验位（Parity Bit）（可选）

波特率（Baud Rate）
- 定义：每秒传输的符号数（1符号=1位），常见值：9600、115200等。
- 计算：
```
位时间（秒）= 1 / 波特率  
（例如：9600bps → 104μs/位）
```
- 误差要求：通常需控制在±2%以内，否则可能采样错误。
采样点
- 接收端在每位中心点（如16倍过采样时，取第8、9、10次采样的多数值）进行采样。
- 抗干扰机制：三次采样表决（提高噪声环境下的可靠性）。

数据流控制（可选）：
- 硬件流控：使用RTS（请求发送）和CTS（清除发送）信号线。
- 软件流控：通过XON/XOFF字符控制数据流。

UART的物理层定义了电气特性、接口标准和硬件连接方式。

TTL/CMOS电平
- 逻辑0：0V（或接近0V，如<0.8V）
- 逻辑1：3.3V或5V（如>2.4V为有效高电平）
- 典型应用：单片机之间、芯片内部通信（传输距离<1米）。
RS232电平
- 逻辑0：+3V ~ +15V
- 逻辑1：-3V ~ -15V
- 特点：抗干扰强，支持长距离（最长15米@20kbps）。
RS485电平（差分信号）
- 通过A、B两线的电压差表示逻辑：
  - 逻辑1：B线电压 > A线电压
  - 逻辑0：A线电压 > B线电压
- 特点：支持多点通信，最长1200米。

基本引脚：
- TX（Transmit）：数据发送线
- RX（Receive）：数据接收线
- GND（Ground）：共地参考
扩展引脚（用于流控）：
- RTS（Request to Send）：请求发送
- CTS（Clear to Send）：允许发送
- DTR（Data Terminal Ready）：设备就绪
- DSR（Data Set Ready）：数据就绪

直接连接（TTL电平）：

设备A.TX → 设备B.RX  
设备A.RX ← 设备B.TX  
共地连接：GND ↔ GND

RS232连接（使用DB9接口）：

TXD（Pin3） ↔ RXD（Pin2）  
RXD（Pin2） ↔ TXD（Pin3）  
GND（Pin5） ↔ GND（Pin5）