UART传输层通信协议详解：从原理到实战应用

#金毛

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分类专栏：嵌入式通信协议文章标签： UART stm32 通信协议嵌入式

于 2025-03-10 15:33:31 首次发布

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UART传输层通信协议详解：从原理到实战应用

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是嵌入式系统和工业控制中最基础的串行通信协议之一。它凭借简单的硬件实现、低成本和异步通信特性，成为设备间短距离数据交互的首选方案。本文将深入解析UART的核心机制，并通过实战案例揭示其关键设计要点。

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一、UART核心特性与架构

1.1 基本特性

异步通信：无需共享时钟信号，通过预定义波特率同步
全双工传输：独立TX（发送）和RX（接收）线路实现双向通信
点对点连接：仅支持两个设备直接通信
灵活配置：可调波特率（300bps~4Mbps）、数据位（5-9bit）、校验位、停止位

1.2 硬件接口

设备A                    设备B
TX  ------------------> RX
RX  <------------------ TX
GND ------------------- GND

关键点：

采用TTL/CMOS电平（0-3.3V/5V）或RS-232电平（±3~15V）
必须共地（GND连接）以确保电平基准一致

二、UART协议帧结构详解

2.1 标准数据帧组成

| 起始位 | 数据位（LSB→MSB） | 校验位（可选） | 停止位 |

起始位：1位低电平（逻辑0），标志传输开始
数据位：5-9位有效数据（通常8位对应1字节）
校验位：奇校验（Odd）、偶校验（Even）或无校验（None）
停止位：1/1.5/2位高电平（逻辑1），标志帧结束

2.2 帧时序示例（8N1配置）

		           Bit 0    Bit 1    Bit 2    Bit 3    Bit 4    Bit 5    Bit 6    Bit 7    
	─────────────┌───────┬───────┬───────┬───────┬───────┬───────┬───────┬───────┬───── ─┬───────┬───────────
		TX电平   │   0   │   1   │   0   │   1   │   0   │   0   │   1   │   1   │   1   |   1   |  1 1 1 1.....
		         └───┬───┴───┬───┴───┬───┴───┬───┴───┬───┴───┬───┴───┬───┴───┬───┴───┬───┘───┬───
		             │       │       │       │       │       │       │       │       │       │
		            起始位    D0      D1      D2      D3      D4      D5      D6     D7    停止位    空闲位

三、关键参数配置与计算

3.1 波特率（Baud Rate）

定义：每秒传输的符号数（1符号=1位）
常用值：9600、115200（平衡速度与稳定性）
误差容限：通常要求收发双方波特率偏差<2%（否则可能错位）

波特率计算（以16MHz晶振为例）：

// 目标波特率=115200
UBRR0 = (F_CPU / (16 * BAUD)) - 1;  // 计算结果为8.68，取整UBRR0=8
实际波特率 = 16MHz / (16*(8+1)) = 111111bps（误差3.5% → 需使用更高精度时钟源）

3.2 数据位与校验配置

配置模式	数据位	校验类型	停止位	总帧长（位）	传输效率
7E1	7	偶校验	1	1+7+1+1=10	70%
8N1	8	无校验	1	1+8+0+1=10	80%
9O2	9	奇校验	2	1+9+1+2=13	69%

四、典型应用场景与硬件设计

4.1 单片机与PC通信（USB转UART）

[MCU] --TTL UART--> [CH340G] --USB--> [PC]

关键组件：

电平转换芯片：CH340G、FT232RL、CP2102
终端软件：Putty、Tera Term、SecureCRT

4.2 多设备通信（需软件协议扩展）

           ┌───[传感器1]
[主控MCU]──┤
           └───[传感器2]

实现方式：

采用分时复用+地址标识（类似Modbus RTU）
硬件增加方向控制（如RS-485 + MAX485芯片）

五、常见问题与调试技巧

5.1 数据错乱排查步骤

验证波特率一致性：使用示波器测量位宽（1位时间=1/波特率）
```
理论位宽 = \frac{1}{115200} ≈ 8.68μs
```
检查帧结构配置：数据位/停止位设置是否匹配
电平检测：测量TX/RX信号幅度是否符合接口标准
软件缓冲区管理：防止溢出导致数据丢失

5.2 抗干扰设计

硬件滤波：在RX线上并联100pF电容滤除高频噪声
软件容错：添加数据校验（CRC16）和重传机制
隔离设计：使用光耦（如6N137）或磁耦（ADuM1201）隔离高低压侧

六、实战代码示例（STM32 HAL库）

6.1 UART初始化（115200 8N1）

UART_HandleTypeDef huart2;

void MX_USART2_UART_Init(void) {
  huart2.Instance = USART2;
  huart2.Init.BaudRate = 115200;
  huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  HAL_UART_Init(&huart2);
}

6.2 中断接收+环形缓冲区

#define BUF_SIZE 256
uint8_t rx_buf[BUF_SIZE];
volatile uint16_t rx_head = 0, rx_tail = 0;

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
  if(huart->Instance == USART2) {
    rx_buf[rx_head++] = uart_rx_byte;
    rx_head %= BUF_SIZE;
    HAL_UART_Receive_IT(&huart2, &uart_rx_byte, 1); // 重新启用中断
  }
}

uint8_t UART_ReadByte(void) {
  if(rx_head == rx_tail) return 0xFF; // 空缓冲区
  uint8_t data = rx_buf[rx_tail++];
  rx_tail %= BUF_SIZE;
  return data;
}