'一文了解UART總線工作原理、優缺點和應用'

還記得當年的打印機，鼠標和調制解調器嗎？他們都有巨大笨重的連接器和粗電纜，並且必須擰到你的電腦上。這些設備正是使用UART協議與計算機進行通信。雖然USB幾乎完全取代了舊的電纜和連接器，但UART絕對沒有過時。您會發現目前許多項目中使用UART的GPS模塊、藍牙模塊和RFID讀卡器模塊等連接到Raspberry Pi，Arduino或其他微控制器上。

通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常稱作UART。它將要傳輸的資料在串行通信與並行通信之間加以轉換。作為把並行輸入信號轉成串行輸出信號的芯片，UART通常被集成於其他通訊接口的連結上。

它不是像SPI和I2C這樣的通信協議，而是微控制器中獨立的物理電路或獨立的IC。

UART最好的一點是它只使用兩根線就可以在設備之間傳輸數據，UART背後的原理很容易理解。

UART通信簡介

在UART通信中，兩個UART直接相互通信。發送UART將來自CPU等控制設備的並行數據轉換為串行形式，並將其串行發送到接收UART，接收UART然後將串行數據轉換回接收設備的並行數據。在兩個UART之間傳輸數據只需要兩根線。數據從發送UART的Tx引腳流向接收UART的Rx引腳：

UART以異步方式發送數據，這意味著沒有時鐘信號將發送UART的位輸出與接收UART的位採樣同步。發送UART不是時鐘信號，而是將開始和停止位添加到正在傳輸的數據包中。這些位定義數據包的開始和結束，因此接收UART知道何時開始讀取位。

當接收UART檢測到起始位時，它開始以稱為波特率的特定頻率讀取輸入位。波特率是數據傳輸速度的度量，以每秒位數（bps）表示。兩個UART必須以大致相同的波特率運行。發送和接收UART之間的波特率只能相差10％左右。

兩個UART還必須配置為發送和接收相同的數據包結構。

UART如何工作

UART傳輸數據依靠的是UART總線，數據總線用於通過CPU，存儲器或微控制器等其他設備將數據發送到UART。數據以並行形式從數據總線傳輸到發送UART。在發送UART從數據總線獲得並行數據之後，它將添加起始位，奇偶校驗位和停止位，從而創建數據包。接下來，數據包在Tx引腳上逐位串行輸出。UART接收端則在其Rx引腳上逐位讀取數據包。然後，接收UART將數據轉換回並行形式，並刪除起始位，奇偶校驗位和停止位。最後，接收UART將數據包並行傳輸到接收端的數據總線：

UART傳輸的數據被組織成數據包。每個數據包包含1個起始位，5到9個數據位（取決於UART），可選的奇偶校驗位以及1或2個停止位：

開始位

當UART數據傳輸線不傳輸數據時，它通常保持在高電壓電平。為了開始數據傳輸，發送UART將傳輸線從高電平拉至低電平一個時鐘週期。當接收UART檢測到高電壓到低電壓轉換時，它開始以波特率的頻率讀取數據幀中的位。

數據框

數據框包含要傳輸的實際數據。如果使用奇偶校驗位，則它可以是5位到8位長。如果不使用奇偶校驗位，則數據幀可以是9位長。在大多數情況下，數據首先以最低有效位發送。

奇偶校驗位

奇偶校驗描述數字的均勻性或奇數。奇偶校驗位是接收UART在傳輸過程中判斷是否有任何數據發生變化的一種方法。電磁輻射、不匹配的波特率或長距離傳輸時，數據都有可能發生變化。接收UART讀取數據幀後，它會計算值為1的位數，並檢查總數是偶數還是奇數。如果奇偶校驗位為0（偶校驗），則數據幀中的1位應總計為偶數。如果奇偶校驗位是1（奇校驗），則數據幀中的1位應總計為奇數。當奇偶校驗位與數據匹配時，UART知道傳輸沒有錯誤。但如果奇偶校驗位為0，然而1位應總計為奇數;或者奇偶校驗位是1，並且1位應總計是偶數，則數據幀中的位已經改變。

停止位

為了通知傳輸數據包的結束，UART發送端會將數據傳輸線從低電壓驅動至高電壓至少兩位持續時間。

UART傳輸步驟

1.發送UART從數據總線並行接收數據：

2.發送UART將起始位，奇偶校驗位和停止位添加到數據幀：

3.整個數據包從發送UART串行發送到接收UART。接收UART以預先配置的波特率對數據線進行採樣：

4.接收UART丟棄數據幀中的起始位，奇偶校驗位和停止位：

5.接收UART將串行數據轉換回並行並將其傳輸到接收端的數據總線：

UART的優點和缺點

沒有任何一種通信協議是完美的，以下是一些優點和缺點，可幫助您確定它們是否符合您項目的需求：

優點

只使用兩根電線

不需要時鐘信號

有一個奇偶校驗位

只要雙方設置後，就可以改變數據包的結構

有完整的文檔並且具有廣泛的使用

缺點

數據幀的大小限制為最多9位

不支持多個從屬或多個主系統

每個UART的波特率必須在10％之內