串行通信 UART 简要分享_uart停止位1.25位-优快云博客

在嵌入式系统、工业控制、智能硬件等领域，数据通信是核心功能之一，而UART（通用异步收发传输器）作为最基础、最常用的串行通信协议，凭借结构简单、成本低、易实现的优势，至今仍在各类设备中广泛应用。从 MCU 与传感器的短距离数据交互，到 PC 与外设的调试通信，再到工业场景中的多设备组网，UART 始终扮演着 “数据桥梁” 的角色。

一、UART 核心概念：厘清基础定义与关键特性

要理解 UART，首先需明确其在通信体系中的定位 —— 它是一种异步串行通信协议，无需时钟信号同步，仅通过两根信号线（发送线 TX、接收线 RX）即可实现全双工数据传输。在展开细节前，需先厘清几个易混淆的核心概念，避免后续理解偏差。

1.1 UART 与 USART 的区别

很多人会将 UART 与 USART（通用同步异步收发传输器）混淆，二者的核心差异在于是否支持同步通信：

UART：仅支持异步通信，传输过程中无需时钟信号，依赖 “波特率”（数据传输速率）实现发送端与接收端的时序同步；
USART：兼容异步（UART 模式）和同步模式，同步模式下需额外一根时钟线（SCLK），发送端通过时钟信号控制接收端的采样时序，适合对传输速率和稳定性要求更高的场景（如高速数据传输）。

在实际应用中，多数 MCU（如 STM32、51 单片机）的 “UART 外设” 本质是 USART，但默认工作在异步模式，因此日常场景中 “UART” 的称呼更为通用。

1.2 异步通信与全双工的核心含义

UART 的两大关键特性 ——异步通信和全双工，决定了其传输方式和适用场景：

异步通信：无需时钟信号，发送端和接收端通过预设的 “波特率” 和 “帧结构” 保持时序一致。为避免数据错位，UART 会在每个数据帧的开头和结尾添加 “起始位” 和 “停止位”，用于标记数据的开始和结束（后续 “帧结构” 部分会详细拆解）；
全双工：通过两根独立的信号线（TX 发送、RX 接收）实现 “同时收发”。例如，MCU 的 TX 连接传感器的 RX，MCU 的 RX 连接传感器的 TX，二者可在同一时间向对方发送数据，无需等待对方响应，传输效率高于半双工（如 RS-485 的半双工模式需分时收发）。

1.3 与其他串行通信协议的定位差异

在串行通信体系中，UART 并非唯一选择，需与 I2C、SPI、RS-485 等协议区分，明确其适用边界：

协议	通信方式	信号线数量	核心优势	适用场景
UART	异步全双工	2（TX/RX）	结构简单、易实现	短距离点对点通信（如调试、传感器）
I2C	同步半双工	2（SDA/SCL）	多主多从、布线少	芯片间短距离通信（如 OLED、EEPROM）
SPI	同步全双工	4（SCK/MOSI/MISO/CS）	速率高、抗干扰强	高速外设（如 SD 卡、LCD）
RS-485	异步半双工	2（A/B）	长距离、多节点、抗干扰强	工业组网（如 PLC、变频器）

需注意：RS-485 并非独立于 UART 的协议，而是一种 “电平标准 + 总线结构”，其底层仍基于 UART 的帧结构，仅通过差分信号转换实现长距离传输（后续 “硬件接口” 部分会详细说明）。

二、UART 工作原理：从信号传输到帧结构解析

UART 的核心功能是 “将并行数据转换为串行数据发送，再将接收的串行数据转换为并行数据”，整个过程依赖时序同步和帧结构定义实现可靠传输。要掌握其原理，需从 “信号电平”“波特率同步”“帧结构拆解” 三个核心环节入手。

2.1 信号电平：TTL 与 RS-232 的差异

UART 的信号电平并非固定，需根据传输距离和场景选择，最常见的两种电平标准是TTL 电平和RS-232 电平，二者的差异直接影响传输距离和抗干扰能力：

TTL 电平（Transistor-Transistor Logic）：
- 逻辑 1（高电平）：3.3V 或 5V（取决于 MCU 供电电压，如 3.3V MCU 的 TTL 高电平为 3.3V，5V MCU 为 5V）；
- 逻辑 0（低电平）：0V；
- 传输距离：短距离（通常≤10 米），因电平幅值小，易受噪声干扰；
- 适用场景：板内或近距离设备通信（如 MCU 与板载传感器、蓝牙模块）。
RS-232 电平（EIA RS-232）：
- 逻辑 1（MARK）：-3V~-15V；
- 逻辑 0（SPACE）：+3V~+15V；
- 传输距离：中短距离（通常≤15 米），差分电平（正负电压）抗干扰能力优于 TTL；
- 适用场景：PC 与外设通信（如早期 Modem、串口调试），需通过电平转换芯片（如 MAX232）将 MCU 的 TTL 电平转换为 RS-232 电平。

2.2 波特率：时序同步的核心

异步通信无时钟信号，发送端与接收端的时序同步依赖波特率（Baud Rate） —— 即 “单位时间内传输的码元数”，在 UART 中通常等同于 “每秒传输的二进制位数（bps，Bits Per Second）”。

2.2.1 常见波特率与选择原则

UART 支持多种标准波特率，需确保发送端与接收端的波特率完全一致，否则会导致数据错乱。常见波特率及适用场景如下：

9600 bps：最通用，适用于低速数据传输（如温湿度传感器、简单指令交互），抗干扰能力强；
19200 bps / 38400 bps：中速场景，平衡速率与稳定性；
115200 bps：高速场景（如 GPS 模块、日志输出），是调试常用波特率；
256000 bps / 1Mbps：超高速场景（需硬件支持），仅适用于短距离（如板内通信），易受干扰。

2.2.2 波特率误差的影响

实际应用中，波特率由 MCU 的系统时钟分频生成，可能存在微小误差（如理论 9600 bps，实际 9580 bps）。通常要求误差≤2%，否则会导致接收端采样错误：

误差来源：系统时钟精度（如外部晶振误差）、分频系数计算偏差；
后果：若误差过大，接收端可能将 “逻辑 1” 误判为 “逻辑 0”，导致数据错误或丢失；
解决方式：选择高精度晶振（如 25MHz±10ppm），或通过 MCU 的波特率发生器寄存器（如 STM32 的 USART_BRR）精确配置分频系数。

2.3 帧结构：数据传输的 “格式规范”

UART 通过 “帧（Frame）” 作为数据传输的基本单位，每个帧包含 “起始位、数据位、校验位、停止位” 四部分，格式可通过软件配置，确保发送端与接收端一致。标准帧结构如下（以 “1 个起始位 + 8 个数据位 + 1 个偶校验位 + 1 个停止位” 为例）：

2.3.1 各字段的功能与配置

起始位（Start Bit）：
- 固定为 1 位，逻辑 0（低电平）；
- 作用：标记数据帧的开始，触发接收端同步 —— 接收端检测到 “空闲电平（逻辑 1）→ 低电平” 的跳变时，开始准备采样后续数据。
数据位（Data Bits）：
- 可配置为 5~9 位，最常用 8 位（1 字节）；
- 传输顺序：低位在前（LSB First），即先传输数据的最低位，再传输高位（如数据 0x55=01010101，传输顺序为 1→0→1→0→1→0→1→0）；
- 作用：承载实际传输的数据（如传感器数值、控制指令）。
校验位（Parity Bit）：
- 可配置为 “无校验（None）、奇校验（Odd）、偶校验（Even）、强制 1（Mark）、强制 0（Space）”，最常用 “无校验” 或 “偶校验”；
- 作用：检测传输过程中的单比特错误（无法纠正错误，仅能提示）；
- 计算规则：
  - 偶校验：数据位中 “1” 的个数为偶数，校验位补 0；若为奇数，校验位补 1；
  - 奇校验：数据位中 “1” 的个数为奇数，校验位补 0；若为偶数，校验位补 1。
停止位（Stop Bit）：
- 可配置为 1 位、1.5 位或 2 位，最常用 1 位；
- 固定为逻辑 1（高电平）；
- 作用：标记数据帧的结束，给接收端留出 “恢复时间”，避免与下一个帧的起始位混淆。

2.3.2 帧传输时序示例

以 “波特率 9600 bps、8 数据位、1 偶校验位、1 停止位” 为例，传输数据 0x55（二进制 01010101）的时序如下：

空闲状态：TX 线为高电平（逻辑 1）；
起始位：TX 线变为低电平（逻辑 0），持续 1/9600 ≈ 104μs；
数据位：依次传输 0x55 的 8 位数据（低位在前），每位移位持续 104μs；
校验位：0x55 的 8 位数据中 “1” 的个数为 4（偶数），故校验位为 0，持续 104μs；
停止位：TX 线变为高电平（逻辑 1），持续 104μs；
回到空闲状态，等待下一个帧传输。

三、UART 硬件组成：从控制器到接口电路

UART 的硬件实现需包含 “UART 控制器”“电平转换电路”“接口连接器” 三部分，不同场景的硬件设计差异主要体现在电平转换和连接方式上。

3.1 UART 控制器：数据处理的核心

UART 控制器通常集成在 MCU 内部（如 STM32 的 USART 外设、51 单片机的 UART 模块），负责 “并行数据与串行数据的转换”“帧结构生成与解析”“波特率控制” 等核心功能。其内部结构可拆解为以下子模块：

3.1.1 发送器（Transmitter）

接收 MCU 内核发送的并行数据（如从 CPU 寄存器或内存读取的数据）；
根据配置的帧结构（数据位、校验位、停止位），生成串行数据帧；
通过 TX 引脚将串行数据发送出去；
包含 “发送缓冲区（TX Buffer）”：若 MCU 内核发送数据过快，数据可暂存于缓冲区，避免丢失（多数 MCU 的发送缓冲区为 1 字节，需通过中断或 DMA 避免溢出）。

3.1.2 接收器（Receiver）

通过 RX 引脚接收外部的串行数据；
解析串行数据帧，提取数据位，校验传输错误（如校验位不匹配则标记错误）；
将解析后的并行数据送入 MCU 内核（如写入 CPU 寄存器或内存）；
包含 “接收缓冲区（RX Buffer）”：若 MCU 内核读取数据过慢，数据可暂存于缓冲区（1 字节或多字节，如 STM32 的 USART 支持多字节 DMA 接收），避免新数据覆盖旧数据。

3.1.3 波特率发生器（Baud Rate Generator）

由 MCU 的系统时钟（如 HSI、HSE 晶振时钟）分频得到，生成与目标波特率匹配的时钟信号；
核心是 “分频器”：通过配置寄存器（如 STM32 的 USART_BRR）设置分频系数，计算公式为：分频系数 = 系统时钟频率 / (波特率 × 16)（异步模式下通常为 16 倍采样）；
示例：若 STM32 的系统时钟为 72MHz，目标波特率为 115200 bps，则分频系数 = 72000000/(115200×16)=39.0625，对应 USART_BRR 寄存器值为 0x271（十六进制）。

3.1.4 控制与状态模块

控制模块：接收 MCU 内核的配置指令（如波特率、帧结构、中断使能）；
状态模块：提供传输状态标志（如发送缓冲区空 TXE、发送完成 TC、接收缓冲区非空 RXNE、校验错误 PE），MCU 可通过查询标志位或触发中断实现数据收发。

3.2 电平转换电路：适配不同电平标准

如前文所述，UART 的信号电平分为 TTL 和 RS-232，若发送端与接收端电平标准不同，需通过 “电平转换芯片” 实现兼容。以下是两种典型场景的电路设计：

3.2.1 TTL→RS-232：MAX232 芯片应用

当 MCU（TTL 电平）需与 PC（RS-232 电平，如 DB9 串口）通信时，需使用 MAX232 芯片（双路 RS-232 发送 / 接收芯片），电路原理如下：

供电：MAX232 需 5V 供电（部分型号支持 3.3V，如 MAX3232）；
电容：需外接 4 个 1μF 的电解电容（用于电荷泵，将 5V 转换为 ±15V 的 RS-232 电平）；
引脚连接：
- MCU 的 TX（TTL）→ MAX232 的 T1IN（发送输入）；
- MAX232 的 T1OUT（RS-232 发送）→ PC DB9 的 RX（引脚 2）；
- PC DB9 的 TX（引脚 3）→ MAX232 的 R1IN（RS-232 接收）；
- MAX232 的 R1OUT（TTL 接收）→ MCU 的 RX；
- PC DB9 的 GND（引脚 5）→ MCU 的 GND（共地是通信可靠的前提）。

3.2.2 TTL→RS-485：MAX485 芯片应用

RS-485 是一种差分传输的电平标准，支持多节点（最多 32 个）、长距离（≤1200 米）通信，底层基于 UART 帧结构，需通过 MAX485 芯片（半双工 RS-485 收发器）实现 TTL 与 RS-485 的转换：

供电：3.3V 或 5V（与 MCU 匹配）；
控制引脚：MAX485 的 DE（驱动使能）和 RE（接收使能）需短接，由 MCU 的 IO 口控制（高电平为发送模式，低电平为接收模式）；
引脚连接：
- MCU 的 TX → MAX485 的 DI（数据输入）；
- MAX485 的 RO（数据输出）→ MCU 的 RX；
- MAX485 的 A（差分正）→ 总线 A 线；
- MAX485 的 B（差分负）→ 总线 B 线；
- 总线两端需接 120Ω 终端电阻（匹配阻抗，减少信号反射）；
- 所有节点共地（避免共模干扰）。

3.3 接口连接器：设备连接的物理载体

UART 的物理接口根据场景不同分为多种类型，常见的有：

排针 / 排座：板载设备常用（如 MCU 开发板的 UART 调试接口，2Pin 或 4Pin，包含 TX、RX、VCC、GND）；

DB9 接口：PC 传统串口接口（9 针 D 型连接器），引脚定义如下：

DB9 引脚	功能	说明
1	DCD（载波检测）	仅 Modem 等设备使用
2	RXD（接收数据）	接外部设备的 TX
3	TXD（发送数据）	接外部设备的 RX
4	DTR（数据终端就绪）	仅 Modem 等设备使用
5	GND（地）	共地引脚（必须连接）
6	DSR（数据设备就绪）	仅 Modem 等设备使用
7	RTS（请求发送）	流控制引脚（可选）
8	CTS（清除发送）	流控制引脚（可选）
9	RI（振铃指示）	仅 Modem 等设备使用
注：UART 通信仅需连接 2（RX）、3（TX）、5（GND）三根引脚，其他引脚为流控制或 Modem 专用，多数场景无需连接。

Micro USB/Type-C：现代设备常用（如 USB 转 TTL 模块），通过 USB 芯片（如 CH340、PL2303）将 USB 信号转换为 UART 信号，外部仅需连接 TX、RX、GND（VCC 可选，用于给外设供电）。

四、UART 软件实现：从驱动开发到协议封装

UART 的软件实现需分 “底层驱动” 和 “应用层协议” 两层：底层驱动负责控制硬件（如初始化、数据收发），应用层协议负责解决 “数据识别” 问题（如避免粘包、丢包）。以下以 STM32 为例，详解软件实现流程。

4.1 底层驱动开发：基于 HAL 库的实现

STM32 的 HAL 库（Hardware Abstraction Layer）提供了 UART 的标准化 API，无需直接操作寄存器，降低开发难度。驱动开发主要包含 “初始化配置”“数据发送”“数据接收” 三部分。

4.1.1 UART 初始化配置

初始化的核心是配置 “时钟、波特率、帧结构、中断 / DMA”，步骤如下：

使能时钟：
- 使能 UART 外设时钟（如 USART1 挂载在 APB2 总线上，需调用__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE()）；
- 使能 TX/RX 引脚对应的 GPIO 时钟（如 USART1 的 TX 为 PA9，RX 为 PA10，需调用__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()）。

配置 GPIO 引脚：

TX 引脚：配置为 “复用推挽输出”（GPIO_Mode_AF_PP），速度为高速（GPIO_Speed_High）；
RX 引脚：配置为 “浮空输入”（GPIO_Mode_IN_FLOATING）或 “上拉输入”（GPIO_Mode_IPU，避免悬空噪声）；

示例（USART1 PA9/TX、PA10/RX）：

运行

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// TX引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// RX引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

配置 UART 参数：

波特率：如 115200 bps；
数据位：8 位（UART_WordLength_8b）；
停止位：1 位（UART_StopBits_1）；
校验位：无校验（UART_Parity_None）；
模式：收发模式（UART_Mode_Tx | UART_Mode_Rx）；

示例：

运行

UART_HandleTypeDef huart1;
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 无硬件流控制
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; // 16倍采样
if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
{
    Error_Handler(); // 初始化失败处理
}

使能中断（可选）：
- 若采用 “中断方式” 收发数据，需使能对应的中断（如接收非空中断 RXNE、发送完成中断 TC），并配置 NVIC（嵌套向量中断控制器）；
- 示例（使能 USART1 接收中断）：
  c
  
  运行
```
HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); // 使能USART1中断
HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0); // 设置中断优先级
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_RXNE); // 使能接收非空中断
```

4.1.2 数据发送：查询、中断、DMA 三种方式

UART 数据发送有三种实现方式，需根据传输量和实时性需求选择：

查询方式（轮询）：
- 原理：通过查询 “发送缓冲区空（TXE）” 标志位，等待缓冲区为空后发送数据；
- 优点：代码简单，无需中断配置；
- 缺点：占用 CPU 资源，发送过程中 CPU 无法执行其他任务；
- 适用场景：少量数据发送（如单字节指令）；
- HAL 库 API：HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_buf, tx_len, timeout);（tx_buf：发送数据缓冲区，tx_len：数据长度，timeout：超时时间，单位 ms）。
中断方式：
- 原理：发送缓冲区为空时触发 “TXE 中断”，在中断服务函数中发送下一个字节，直到所有数据发送完成；
- 优点：不占用 CPU，实时性高；
- 缺点：代码复杂，需处理中断服务函数；
- 适用场景：中量数据发送（如多字节传感器数据）；
- 实现步骤：① 使能 TXE 中断（__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_TXE);）；② 在中断服务函数（如 USART1_IRQHandler）中判断中断类型，发送数据；③ 所有数据发送完成后，关闭 TXE 中断，使能 “发送完成中断（TC）”，通知应用层发送完成。
DMA 方式（直接内存访问）：
- 原理：通过 DMA 控制器直接将内存中的数据传输到 UART 发送缓冲区，无需 CPU 干预；
- 优点：完全不占用 CPU，适合大量数据发送（如日志、文件）；
- 缺点：需配置 DMA 通道，代码复杂度高；
- 适用场景：大量数据高速传输（如 GPS 模块连续输出定位数据）；
- HAL 库 API：HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buf, tx_len);（发送完成后会触发 DMA 中断，可在回调函数HAL_UART_TxCpltCallback()中处理后续逻辑）。

4.1.3 数据接收：同样支持三种方式

数据接收与发送逻辑类似，核心是及时读取接收缓冲区的数据，避免溢出：

查询方式：
- 原理：查询 “接收缓冲区非空（RXNE）” 标志位，有数据则读取；
- 缺点：CPU 需持续轮询，实时性差，易丢失数据（若数据到来时 CPU 未查询）；
- HAL 库 API：HAL_UART_Receive(&huart1, rx_buf, rx_len, timeout);。

中断方式：

原理：接收缓冲区有数据时触发 “RXNE 中断”，在中断服务函数中读取数据；
优点：实时性高，数据到来时立即处理；
注意：需设置接收缓冲区（如环形缓冲区），避免中断频繁触发导致数据覆盖；

示例（中断服务函数中读取数据）：

运行

void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t rx_data;
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE) != RESET) // 接收非空
    {
        rx_data = (uint8_t)(huart1.Instance->DR & 0x00FF); // 读取1字节数据
        ring_buf_put(&rx_ring_buf, rx_data); // 存入环形缓冲区
        __HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1, UART_FLAG_RXNE); // 清除标志位
    }
}

DMA 方式：
- 原理：DMA 控制器直接将 UART 接收缓冲区的数据传输到内存，支持 “单次传输” 或 “循环传输”；
- 适用场景：大量连续数据接收（如蓝牙模块接收文件）；
- HAL 库 API：HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, rx_len);（接收完成后触发 DMA 中断，回调函数HAL_UART_RxCpltCallback()中处理数据）。

4.2 应用层协议：解决数据识别问题

UART 本身是 “透明传输” 协议，仅负责发送二进制数据，不区分 “数据边界”—— 若连续发送多帧数据，接收端可能无法判断 “哪部分是第一帧，哪部分是第二帧”，即 “粘包问题”；若数据丢失，接收端也无法察觉。因此，需在应用层设计协议，实现 “帧识别” 和 “错误检测”。

4.2.1 常用应用层协议：帧头 + 帧尾 + 长度 + 校验

最通用的协议格式为：帧头1 + 帧头2 + 数据长度 + 数据内容 + 校验和 + 帧尾，各字段功能如下：

帧头（2 字节）：固定值（如 0xAA、0x55），用于标记帧的开始，接收端通过检测帧头锁定数据起始位置；
数据长度（1 字节）：表示 “数据内容” 的字节数，用于确定数据的结束位置，避免粘包；
数据内容（N 字节）：实际传输的业务数据（如传感器数值、控制指令）；
校验和（1 字节）：对 “数据长度 + 数据内容” 的所有字节求和，取低 8 位，用于检测数据传输错误；
帧尾（1 字节）：固定值（如 0xEE），用于标记帧的结束，辅助验证帧的完整性。

示例：传输 “温度 25℃（0x19）、湿度 60%（0x3C）” 的协议帧：

字段	数值	说明
帧头 1	0xAA	固定帧头
帧头 2	0x55	固定帧头
数据长度	0x02	数据内容为 2 字节
数据内容	0x19	温度 25℃
	0x3C	湿度 60%
校验和	0x02+0x19+0x3C=0x57	求和后低 8 位
帧尾	0xEE	固定帧尾
完整帧	0xAA 0x55 0x02 0x19 0x3C 0x57 0xEE	共 7 字节

4.2.2 协议解析流程（接收端）

接收端需按照以下步骤解析数据，确保正确识别帧并检测错误：

帧头检测：持续读取数据，直到检测到连续的 “帧头 1 + 帧头 2”（如 0xAA followed by 0x55），若未检测到则丢弃当前数据；
读取数据长度：帧头后读取 1 字节数据长度（如 0x02），确定后续 “数据内容” 的字节数；
读取数据内容：根据数据长度读取 N 字节数据（如 2 字节：0x19、0x3C）；
校验和验证：计算 “数据长度 + 数据内容” 的校验和，与接收的 “校验和” 字段对比，若不一致则丢弃该帧（视为传输错误）；
帧尾检测：读取最后 1 字节，验证是否为帧尾（如 0xEE），若不是则丢弃该帧；
数据处理：校验通过后，提取 “数据内容” 并交给业务层处理（如显示温度、湿度）。

4.2.3 工业标准协议：Modbus RTU

在工业控制场景中，常用Modbus RTU 协议（基于 UART）实现多设备通信，其本质是标准化的应用层协议，格式如下：

从站地址（1 字节）：标识总线上的设备（1~247，0 为广播地址）；
功能码（1 字节）：表示操作类型（如 0x03 为 “读取保持寄存器”，0x06 为 “写入单个寄存器”）；
数据（N 字节）：业务数据（如寄存器地址、数据值）；
CRC 校验（2 字节）：对 “从站地址 + 功能码 + 数据” 进行 16 位循环冗余校验，抗干扰能力强于简单校验和；

Modbus RTU 的优势在于 “标准化”，不同厂商的设备（如 PLC、传感器、变频器）只要支持 Modbus RTU，即可通过 UART 总线直接通信，无需自定义协议。

五、UART 性能指标与影响因素

UART 的通信性能由 “传输速率、传输距离、误码率” 三个核心指标决定，而这些指标又受硬件设计、环境干扰、软件配置等因素影响。掌握性能指标的优化方法，是确保 UART 通信可靠的关键。

5.1 核心性能指标

5.1.1 传输速率（波特率）

定义：每秒传输的二进制位数（bps）；
理论上限：受 UART 控制器硬件和电平标准限制；
- TTL 电平：通常≤1Mbps（部分高性能 MCU 支持更高速率，如 STM32H7 支持 10Mbps）；
- RS-232 电平：通常≤115200 bps（速率过高时，正负电平切换延迟导致信号失真）；
- RS-485 电平：通常≤10Mbps（短距离），长距离（1200 米）时需降至 9600 bps；
实际限制：速率越高，抗干扰能力越弱，传输距离越短 —— 例如，115200 bps 的 TTL 通信距离通常≤5 米，而 9600 bps 可达到 10 米。

5.1.2 传输距离

定义：发送端与接收端之间的最大距离；
主要影响因素：电平标准（见下表）；| 电平标准 | 最大传输距离（理想环境） | 实际应用距离 | 原因 ||----------|--------------------------|--------------|-----------------------|| TTL | ≤10 米 | 3~5 米 | 电平幅值小，易受干扰 || RS-232 | ≤15 米 | 5~10 米 | 差分电平，但幅值有限 || RS-485 | ≤1200 米 | 500~1000 米 | 差分传输，抗干扰强 |
其他影响因素：线缆质量（屏蔽线比非屏蔽线抗干扰强）、环境噪声（工业环境需缩短距离）、终端电阻（RS-485 需接 120Ω 电阻，否则信号反射缩短距离）。

5.1.3 误码率（BER）

定义：传输错误的比特数与总传输比特数的比值（如 10⁻⁶表示每传输 100 万比特，平均有 1 比特错误）；
理想值：≤10⁻⁶（工业场景要求更高，需≤10⁻⁹）；
影响因素：
- 噪声干扰：电磁干扰（如电机、继电器）导致电平跳变；
- 波特率误差：发送端与接收端波特率偏差超过 2%；
- 线缆损耗：长距离传输导致信号衰减，高低电平边界模糊；
- 校验方式：无校验的误码率高于偶校验（偶校验可检测单比特错误）。

5.2 关键影响因素与优化方法

5.2.1 电磁干扰（EMI）：最常见的性能杀手

干扰来源：工业环境中的电机、变频器、开关电源，或消费电子中的 WiFi、蓝牙模块；
干扰后果：信号电平跳变，导致数据错误或丢失；
优化方法：
1. 使用屏蔽线：将 UART 线缆（尤其是 TX/RX）穿过金属屏蔽层，屏蔽层一端接地；
2. 采用双绞线：将 TX 和 RX 绞合（每米绞合 3~5 次），利用差分信号抵消共模干扰；
3. 远离干扰源：UART 线缆与动力线（如 220V 电源线）保持≥30cm 距离；
4. 电源滤波：在 MCU 和 UART 外设的电源端并联 0.1μF 陶瓷电容，滤除高频噪声。

5.2.2 接地问题：共地噪声导致电平偏移

问题本质：发送端与接收端的地电位不同（如共地电阻为 1Ω，电流 100mA 时，地电位差为 0.1V），导致接收端检测的电平偏移 —— 例如，MCU 的 TTL 高电平为 3.3V，若接收端地电位比发送端高 0.5V，接收端实际检测到的高电平仅为 2.8V，可能误判为低电平；
优化方法：
1. 单点接地：所有 UART 设备的 GND 连接到同一点（如电源地），避免地环路；
2. 加粗地线：使用≥22AWG 的导线作为地线，降低接地电阻；
3. 隔离供电：若设备距离远，使用隔离电源（如 DC-DC 隔离模块），避免地电位差。

5.2.3 波特率与帧结构配置：匹配与优化

常见问题：发送端与接收端的波特率、数据位、校验位、停止位不一致，导致数据无法解析；
优化方法：
1. 统一配置：确保所有设备的 UART 参数完全一致（如 9600 bps、8 数据位、1 停止位、无校验）；
2. 选择合适波特率：短距离、高实时性场景选 115200 bps，长距离、强干扰场景选 9600 bps；
3. 启用校验位：工业环境或长距离传输时，启用偶校验，减少单比特错误导致的数据丢失。

六、UART 应用场景与典型案例

UART 凭借 “简单、可靠、低成本” 的优势，在各类电子设备中均有应用，以下是几个典型场景及实现方案。

6.1 嵌入式调试：串口日志输出

在 MCU 开发过程中，调试是核心环节，UART 是最常用的调试工具之一 —— 通过 UART 将 “日志信息”（如变量值、程序运行状态）输出到 PC，开发者可通过串口助手（如 SecureCRT、SSCOM、Putty）查看日志，定位问题。

6.1.1 实现方案（以 STM32 为例）

硬件连接：MCU 的 UART_TX（如 PA9）→ USB 转 TTL 模块的 RX，USB 转 TTL 模块的 USB 口→PC；
软件配置：UART 初始化为 115200 bps、8 数据位、1 停止位、无校验；

日志函数：编写printf重定向函数，将printf输出的内容通过 UART 发送：

运行

#include "stdio.h"
// 重定向fputc函数，使printf通过USART1输出
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 100); // 发送1字节
    return ch;
}
// 调试时使用printf输出日志
void debug_log(void)
{
    uint8_t temp = 25;
    printf("当前温度：%d℃\r\n", temp); // 日志输出到PC
}

PC 端操作：打开串口助手，选择对应的 COM 口（如 COM3），配置相同的 UART 参数，点击 “打开” 即可查看日志。

6.2 传感器数据采集：温湿度传感器 SHT30

SHT30 是一款高精度温湿度传感器，支持 I2C 和 UART 两种通信方式，若采用 UART 接口，可直接与 MCU 通信，实现温湿度数据采集。

6.2.1 实现方案

硬件连接：SHT30 的 TX→MCU 的 RX（PA10），SHT30 的 RX→MCU 的 TX（PA9），SHT30 的 VCC→MCU 的 3.3V，GND→GND；
软件配置：
- UART 初始化：9600 bps、8 数据位、1 停止位、无校验；
- 指令发送：MCU 向 SHT30 发送 “读取数据” 指令（0x2C 0x06）；
- 数据接收：SHT30 响应指令，返回 6 字节数据（温度高 8 位、温度低 8 位、温度 CRC、湿度高 8 位、湿度低 8 位、湿度 CRC）；
- 数据解析：根据 SHT30 数据手册，温度计算公式为：温度（℃）= -45 + 175 × (温度高 8 位 <<8 | 温度低 8 位) / (2¹⁶ - 1)湿度计算公式为：湿度（% RH）= 0 + 100 × (湿度高 8 位 <<8 | 湿度低 8 位) / (2¹⁶ - 1)；
数据处理：将解析后的温湿度通过 UART 输出到 PC，或显示在 OLED 屏上。

6.3 无线通信模块：蓝牙 HC-05 与 MCU 交互

HC-05 是一款通用蓝牙模块，支持 UART 接口，可实现 “MCU 与手机 / PC 的无线通信”—— 例如，手机通过蓝牙发送 “开灯” 指令，MCU 接收指令后控制 LED 点亮。

6.3.1 实现方案

硬件连接：HC-05 的 TX→MCU 的 RX（PA10），HC-05 的 RX→MCU 的 TX（PA9），HC-05 的 VCC→5V（部分型号支持 3.3V），GND→GND；
模块配置：通过 AT 指令配置 HC-05（如设置蓝牙名称为 “MCU_BT”，波特率为 9600 bps，角色为从机）；
软件实现：
- UART 初始化：9600 bps、8 数据位、1 停止位、无校验，启用接收中断；
- 指令解析：在接收中断服务函数中读取 HC-05 发送的数据，若接收到 “ON”（开灯指令），则控制 LED 引脚输出高电平；若接收到 “OFF”（关灯指令），则输出低电平；
- 数据反馈：MCU 向 HC-05 发送 “LED 已开启” 或 “LED 已关闭” 的反馈信息，手机端通过蓝牙 APP（如 Serial Bluetooth Terminal）查看反馈。

6.4 工业控制：RS-485 总线组网

在工业场景中，需实现 “多台设备的长距离通信”（如 PLC 与 10 台传感器的组网），此时可采用 “UART+RS-485” 的方案，利用 RS-485 的差分传输和总线结构，实现抗干扰、长距离的多节点通信。

6.4.1 实现方案

硬件组成：
- 主设备：PLC（如西门子 S7-200），通过 UART+MAX485 芯片转换为 RS-485 电平；
- 从设备：10 台温湿度传感器（如 SHT30），每台传感器均配备 MAX485 芯片；
- 总线连接：所有设备的 MAX485 芯片的 A 端连接在一起，B 端连接在一起，总线两端接 120Ω 终端电阻；
通信协议：采用 Modbus RTU 协议，PLC 为主站，传感器为从站（地址 1~10）；
软件实现：
- 主站（PLC）：发送 Modbus RTU 指令（如地址 1、功能码 0x03、寄存器地址 0x0000、读取长度 0x0002），请求从站 1 的温湿度数据；
- 从站（传感器）：接收指令后，解析地址和功能码，若地址匹配则读取温湿度数据，封装为 Modbus RTU 响应帧发送给主站；
- 数据处理：PLC 接收所有从站的响应数据，进行显示、存储或控制逻辑判断（如温度超过阈值时触发报警）。

七、UART 常见问题与排查方法

在 UART 通信调试中，常遇到 “收不到数据”“数据错乱”“数据丢包” 等问题，需按 “硬件→软件→协议” 的顺序逐步排查，定位根因。

7.1 问题 1：收不到数据

7.1.1 可能原因与排查步骤

硬件连接错误：
- 排查 TX/RX 是否交叉：发送端的 TX 必须接接收端的 RX，若接反（TX→TX、RX→RX），则无法传输数据；解决：重新核对接线（如 MCU_TX→传感器_RX，MCU_RX→传感器_TX）；
- 线缆松动或断裂：用万用表测量线缆通断，确保 TX、RX、GND 均导通；解决：更换线缆或重新焊接；
- 未共地：发送端与接收端 GND 未连接，导致电平参考不一致；解决：确保所有设备 GND 可靠连接。
电平标准不匹配：
- 例如，MCU（TTL 3.3V）直接连接 PC 的 DB9 串口（RS-232 ±15V），未加 MAX232 电平转换；解决：添加电平转换芯片，或使用 USB 转 TTL 模块（将 PC 的 USB 转换为 TTL 电平）。
UART 参数不匹配：
- 发送端与接收端的波特率、数据位、校验位、停止位不一致；解决：统一所有设备的 UART 参数（如均设置为 9600 bps、8N1：8 数据位、无校验、1 停止位），可通过 “逐一排查法” 验证（如固定其他参数，仅更换波特率测试）。
设备未上电或硬件故障：
- 外设（如传感器、蓝牙模块）未接 VCC，或模块本身损坏；解决：用万用表测量外设 VCC 电压，确保供电正常；若供电正常仍无响应，更换模块测试。

7.2 问题 2：数据错乱（如接收端显示乱码）

7.2.1 可能原因与排查步骤

波特率不匹配或误差过大：
- 最常见原因，例如发送端 9600 bps，接收端 115200 bps；或发送端波特率误差超过 2%（如系统时钟为 72MHz，理论 9600 bps 的分频系数为 480，实际配置为 470）；解决：统一波特率，或重新计算分频系数（如 STM32 通过 USART_BRR 寄存器精确配置），确保误差≤2%。
电磁干扰：
- 线缆靠近电机、电源等干扰源，导致信号失真；解决：更换为屏蔽线或双绞线，远离干扰源，或在电源端添加滤波电容。
数据位或校验位配置错误：
- 例如发送端 8 数据位，接收端 7 数据位；或发送端偶校验，接收端奇校验；解决：核对所有设备的帧结构配置，确保完全一致。
采样时钟不稳定：
- MCU 使用内部 RC 时钟（如 HSI），精度低（±1%），导致波特率不稳定；解决：更换为外部晶振（如 HSE 25MHz），提高时钟精度。

7.3 问题 3：数据丢包（接收端少收部分数据）

7.3.1 可能原因与排查步骤

接收端缓冲区溢出：
- 采用 “查询方式” 接收时，CPU 未及时读取接收缓冲区数据，新数据覆盖旧数据；或中断服务函数中未及时处理数据，导致缓冲区满溢；解决：改用 “中断方式” 或 “DMA 方式” 接收，或在查询方式中缩短轮询间隔；若用中断，可添加环形缓冲区（如大小 64 字节），暂存多字节数据。
传输距离过长或速率过高：
- TTL 电平传输超过 10 米，或波特率过高（如 1Mbps）导致信号衰减；解决：缩短传输距离，降低波特率（如从 115200 bps 降至 9600 bps），或改用 RS-485 电平。
总线冲突（RS-485 场景）：
- 多台从设备同时向主设备发送数据，导致总线数据碰撞；解决：采用 “主从通信” 机制（仅主设备可主动发送指令，从设备仅在接收指令后响应），避免同时发送。
校验错误导致数据丢弃：
- 应用层协议启用校验和 / CRC 校验，传输错误导致接收端丢弃数据；解决：优化硬件抗干扰设计（如屏蔽线、滤波），或在应用层添加 “重发机制”（接收端校验错误时，向发送端请求重发）。

八、UART 的发展与替代技术

随着通信技术的发展，UART 面临 USB、I2C、SPI、CAN、以太网等技术的竞争，但因其 “简单、低成本” 的核心优势，在中低速、短距离场景中仍不可替代。以下是 UART 与替代技术的对比及发展趋势：

8.1 主要替代技术及适用场景

技术	优势	劣势	替代 UART 的场景
USB	速率高（USB 2.0 达 480Mbps）、支持热插拔、总线供电	协议复杂（需 USB 控制器）、成本高	PC 外设（如 USB 转串口、打印机）
I2C	仅需 2 根线、多主多从、布线少	速率低（≤1Mbps）、抗干扰弱	板内芯片间通信（如 OLED、EEPROM）
SPI	速率高（≤100Mbps）、抗干扰强	需 4 根线、仅支持主从模式	高速外设（如 SD 卡、LCD、ADC）
CAN	差分传输、抗干扰强、支持多节点	协议复杂（需 CAN 控制器）、成本高	汽车电子、工业控制（长距离多节点）
以太网	速率高（千兆以太网）、长距离（≥100 米）	需以太网控制器和 TCP/IP 协议栈	物联网设备（如智能家居网关）

8.2 UART 的不可替代性与发展趋势

8.2.1 不可替代的核心场景

简单传感器通信：如温湿度传感器、光照传感器，数据量小（1~4 字节），无需高速传输，UART 的低成本和易实现性是最优选择；
嵌入式调试：串口日志输出仍是最通用的调试方式，无需额外硬件（仅需 USB 转 TTL 模块，成本≤5 元）；
legacy 设备兼容：大量老旧工业设备（如 PLC、变频器）仅支持 UART/RS-485 通信，需保留 UART 接口实现兼容。

8.2.2 发展趋势

集成化：MCU 集成更多 UART 外设（如 STM32H7 支持 8 个 USART），满足多设备同时通信需求；
高速化：部分高性能 MCU 支持更高波特率（如 10Mbps TTL UART），拓展高速短距离应用场景；
与无线技术结合：UART 与蓝牙（如 HC-05）、WiFi（如 ESP8266）、LoRa（如 SX1278）模块结合，实现 “有线转无线” 通信，拓展物联网应用；
低功耗优化：低功耗 MCU（如 STM32L4）的 UART 支持 “低功耗模式”，在休眠状态下仍可接收数据，适合电池供电设备（如无线传感器节点）。

九、总结

UART 作为一种经典的异步串行通信协议，历经数十年发展，仍在嵌入式系统、工业控制、智能硬件等领域发挥着不可替代的作用。其核心优势在于结构简单、成本低、易实现—— 仅需两根信号线即可实现全双工通信，无需复杂的时钟同步或协议栈；同时，通过与 RS-232、RS-485 等电平标准结合，可满足短距离、中长距离、抗干扰等不同场景的需求。

掌握 UART 的技术细节，需从 “硬件 + 软件 + 协议” 三个维度切入：硬件上理解控制器结构、电平转换电路和接口设计；软件上掌握驱动开发（初始化、收发方式）和应用层协议封装（解决粘包、丢包）；实践中能排查常见问题（收不到数据、数据错乱、丢包），并根据场景选择最优的硬件配置和软件方案。

尽管 USB、CAN、以太网等技术在高速、长距离场景中逐渐替代 UART，但在简单传感器通信、嵌入式调试、legacy 设备兼容等场景中，UART 仍将长期保持其核心地位。对于电子工程师和嵌入式开发者而言，UART 是必须掌握的基础通信技术，也是深入理解其他复杂通信协议的重要基石。