嵌入式通信协议-----UART协议详解(基于智芯Z20k11X)

一、简介

1.概念

2.结构

3.特点

一、简介

1.概念

USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter，通用同步异步收发器）是一串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行进行全双工信息交换。

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器 ）是一种双向、串行、异步的通信总线，仅用一根数据接收线和一根数据发送线就能实现全双工通信。

两者相似，UART是在 USART 的基础上裁剪了同步通信功能，只保留异步通信功能，我们平时使用的串口通信都是 UART。

2.结构

任何 UART 双向通信至少需要 3 个引脚，数据发送引脚 TXD，数据接收引脚 RXD，数据参考地 GND。这里特别需要注意的是连接方法，设备 A 和设备 B 信号需要交叉连接。如果电平不同，需要电平转换芯片。

ARM芯片和PC机的电平不同需接入电平转换芯片如RS232

这里解释下电平标准，根据使用使用的电平标准不同，可以分为 TTL 和 RS232 标准，如图所示：

因为控制器一般都是 TTL 标准，因此如果需要进行 RS232 通信时，一定要使用 R232 转换器进行 TTL 和 RS232 的电平转换。

3.特点

① 空闲时，RXD 和 TXD 默认高电平

②数据起始位为低电平，低位在前，高位在后，串口数据一般为8位

③串口可选择是否开启数据校验，校验位:单个字节数据校验，对数据中高低电平数据个数进行计数，常见的有奇偶校验。

4.优缺点

优点：

简单性：实现简单，硬件需求少。

无时钟信号：无需设备之间的时钟同步。

广泛支持：被微控制器和外围设备广泛支持。

缺点：

距离限制：适用于短距离通信，长距离会受到噪声和信号衰减的影响。

速度限制：与SPI或I2C等同步通信协议相比，数据传输速率较低。

单设备通信：主要设计为点对点通信，若要多设备通信需要额外的电路。

二、协议帧组成

在 UART中，传输模式为数据包形式。数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。

1.起始位

用于指示数据传输的开始。接收器通过检测到逻辑低电平来识别传输的开始。不传输数据时保持高电平（1），开始传输数据后变为低电平（0）。

2.数据位

实际传输的数据。数据位的长度可以在通信双方协商时设置，通常为5到9位（常见的是8位）。不使用奇偶校验位为9位。

3.奇偶校验位

用于错误检测。常见的校验方式包括偶校验（Even Parity）和奇校验（Odd Parity）。偶校验时，数据帧中的1的个数为偶数；奇校验时，1的个数为奇数。如果奇校验时，而数据帧1的总和为偶数，或者偶校验时，而总和为奇数，则UART 认为数据帧中的位已改变。如果不用校验位，可以省略这一部分。

4.停止位

指示数据传输的结束，并用于接收器同步和复位。停止位提供了一段时间让接收器准备好接收下一帧数据。发送 UART 将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1 到 2 位时间。

示例：

假设发送8位数据，没有校验位，1位停止位，数据为0x55（即二进制01010101），其UART帧结构如下：

| 起始位 | 数据位 | 停止位 |

| 0 | 01010101 | 1 |

三、UART通信过程

发送器：

发送器开始发送起始位。
紧接着发送数据位（从LSB到MSB）。
如果启用了校验，发送校验位。
最后发送停止位。

接收器：

接收器通过检测起始位（逻辑低）开始数据接收。
按照预设的波特率，依次接收数据位。
检查校验位（如果有）进行错误检测。
检测到停止位（逻辑高）后，完成一帧数据的接收。

四、USART与UART区别

|-----------|---------------------------------|-------------------------------------------------|
| | UART | USART |
| 配置和使用 | 只需配置波特率、数据位、校验位和停止位，适用于简单的点对点通信 | 除了和UART一样的配置外，还需要配置同步模式的时钟设置，适用于需要高精度、高速度的通信场合。 |
| 数据传输 | 例如，9600波特率下，每秒可以传输9600个比特 | 在同步模式下，可以通过更高的时钟频率实现更高的数据传输率 |

例子：

UART数据传输：

发送端：数据0x55（二进制01010101），波特率9600，无校验位，1个停止位。

接收端：检测到起始位后，按配置的波特率读取数据位，校验（如果有），然后等待停止位。

USART数据传输（同步模式）：

发送端和接收端共享时钟信号。

发送端：数据0x55（二进制01010101），时钟频率为1MHz。

接收端：同步时钟信号，按时钟频率读取数据位，实现更高的传输速率。

五、代码实现

本次实验的效果是重定义printf函数输出Hello world！

1.硬件框图

2.软件实现

①初始化结构体

cpp 复制代码

UART_Config_t tUartCfgStruct = 
 {
 9600,             /* 波特率选择*/
 UART_DATABITS_8, /* 数据位大小 */
 UART_PARITY_NONE, /* 奇偶校验位选择*/
 UART_STOPBITS_1, /* 停止位 */
 DISABLE,         /* 数据流控制 */
 40000000         /* 函数时钟频率选择 */
};
 /* 初始化结构体配置 */
UART_Init(UART1_ID, &tUartCfgStruct);

②串口接收函数

cpp 复制代码

 unsigned char ch;
 /* 等待清除DR寄存器 */
 while (RESET == UART_GetLineStatus(UART1_ID,UART_LINESTA_DR));
/* 接收数据 */
 ch = UART_ReceiveByte(UART1_ID);

③串口发送函数

cpp 复制代码

/* 等待状态寄存器TEMT复位 */
 while(RESET == UART_GetLineStatus(UART1_ID,
UART_LINESTA_TEMT));
 /* 发送数据ch */
 UART_SendByte(UART1_ID, ch);
 }
}

④重定义printf

cpp 复制代码

unsigned char  ch[100];

int fputc(int ch, FILE *f)
{     
    (void) f; 
    /* Wait untill FIFO is empty */
	while(RESET == UART_GetLineStatus(UART1_ID, UART_LINESTA_TEMT))
    {
    }
    /* Send data */
    UART_SendByte(UART1_ID, (uint8_t)ch);     
	return ch;
}

代码简单的介绍了串口发送和接收的函数以及重定向printf进行打印，代码很简单所以没有放入完整代码，有学习使用智芯开发板的小伙伴们可以留言一起进行交流。