1. 概述
UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)是一种常见的串行通信协议，用于设备之间的异步串行数据传输。它使用简单的两根线(TX和RX)进行全双工通信，不需要时钟信号，依靠预定义的波特率实现数据同步。
2. 主要特性
-
异步通信：不需要时钟信号
-
全双工传输：可同时发送和接收数据
-
可配置参数：
-
波特率(300bps-4Mbps常见)
-
数据位(5-9位)
-
停止位(1,1.5,2位)
-
校验位(无校验、奇校验、偶校验)
-
-
简单实现：仅需TX、RX和地线即可工作
3. 硬件接口
标准UART接口包含以下信号线：
| 信号名称 | 描述 |
|---|---|
| TX | 数据发送线 |
| RX | 数据接收线 |
| GND | 公共地线 |
注：有些实现可能包含硬件流控制信号(CTS/RTS)
4. 数据帧格式
一个标准的UART数据帧包含以下部分：
-
起始位：1位逻辑低电平，标志数据帧开始
-
数据位：5-9位，实际传输的数据(通常8位)
-
校验位：可选，用于错误检测(奇校验或偶校验)
-
停止位：1、1.5或2位逻辑高电平，标志数据帧结束
5. 波特率计算
波特率表示每秒传输的符号数(包括起始位、数据位、校验位和停止位)。
常用波特率：300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 57600, 115200等。
波特率计算公式：实际波特率 = 系统时钟频率 / (16 × UARTDIV)
其中UARTDIV是分频系数，通常存储在波特率寄存器中。
6. 典型工作流程
发送流程
-
配置波特率、数据位、停止位和校验位
-
等待发送缓冲区为空
-
将数据写入发送数据寄存器
-
硬件自动添加起始位、停止位和校验位(如启用)
-
通过TX引脚串行发送数据
接收流程
-
配置波特率、数据位、停止位和校验位(需与发送方匹配)
-
检测RX引脚上的起始位(下降沿)
-
按照波特率采样数据位
-
检查校验位(如启用)
-
检测停止位
-
将接收到的数据存入接收缓冲区
-
触发接收完成中断或设置状态标志
7. 错误检测
UART通常支持以下错误检测机制：
-
奇偶校验错误：接收到的数据与校验位不匹配
-
帧错误：未检测到有效的停止位
-
溢出错误：新数据到达时前一个数据未被读取
-
欠载错误：发送缓冲区为空时仍需发送数据
8. 软件实现示例
以下是基于C语言的UART初始化示例(伪代码)：
// UART初始化函数
void UART_Init(uint32_t baudrate) {
// 1. 计算波特率分频值
uint16_t uart_div = SYSTEM_CLOCK / (16 * baudrate);
// 2. 禁用UART
UART->CR1 &= ~UART_ENABLE;
// 3. 设置波特率
UART->BRR = uart_div;
// 4. 配置数据格式: 8位数据，无校验，1位停止位
UART->CR1 &= ~(PARITY_ENABLE | DATA_BITS_9);
// 5. 启用发送和接收
UART->CR1 |= (TX_ENABLE | RX_ENABLE);
// 6. 启用UART
UART->CR1 |= UART_ENABLE;
}
// 发送单个字节
void UART_SendByte(uint8_t data) {
while(!(UART->SR & TX_BUFFER_EMPTY)); // 等待发送缓冲区空
UART->DR = data; // 写入数据寄存器
}
// 接收单个字节
uint8_t UART_ReceiveByte(void) {
while(!(UART->SR & RX_DATA_READY)); // 等待数据到达
return UART->DR; // 读取数据寄存器
}9. 应用场景
-
微控制器与PC通信
-
嵌入式设备间的简单数据交换
-
调试信息输出
-
与GPS模块、蓝牙模块等外设通信
-
工业控制设备的简单接口
10. 优缺点分析
优点：
-
实现简单，硬件要求低
-
全双工通信
-
不需要时钟信号
-
广泛支持，几乎所有微控制器都内置UART
缺点：
-
传输速率相对较低
-
传输距离有限(通常不超过15米)
-
没有硬件寻址机制，点对点通信
-
没有内置的错误纠正机制
11. 常见问题与解决方案
-
通信失败：
-
检查波特率、数据格式是否匹配
-
确认TX/RX线是否交叉连接
-
检查地线连接
-
-
数据错误：
-
降低波特率，特别是长距离通信时
-
启用奇偶校验
-
检查系统时钟精度
-
-
通信不稳定：
-
添加适当的终端电阻
-
使用屏蔽电缆减少干扰
-
考虑使用RS-232或RS-485转换芯片增强信号
-
12. 相关标准与扩展
-
RS-232：UART的电气标准，定义电压电平(-3V至-15V表示1，+3V至+15V表示0)
-
RS-422/RS-485：差分信号标准，支持更远距离和更高速度
-
USB转UART：通过USB接口实现UART功能(如FT232、CP2102等芯片)
-
软件UART：通过GPIO模拟UART协议(bit-banging)
附录A：常用波特率与传输时间
在UART通信中，一个字节的数据(8位) 在传输时会被封装成10位(或更多)的帧，这是因为UART协议添加了额外的控制位
| 波特率 | 传输1字节(10位)时间 |
|---|---|
| 9600 | 1.04ms |
| 19200 | 0.52ms |
| 38400 | 0.26ms |
| 57600 | 0.17ms |
| 115200 | 0.087ms |
附录B：UART与其他串行协议比较
| 特性 | UART | SPI | I2C |
|---|---|---|---|
| 同步方式 | 异步 | 同步 | 同步 |
| 信号线数量 | 2(TX,RX) | 3+(SCK,MOSI,MISO) | 2(SDA,SCL) |
| 最大速率 | 4Mbps | 50Mbps+ | 3.4Mbps |
| 寻址能力 | 无 | 无 | 有 |
| 全双工 | 是 | 是 | 半双工 |
13、STM32的串口资源介绍
串口的硬件连接非常简单，简单的双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX），TX和RX需要交叉连接，当只需要单向的数据传输时，可以只接一根通常线，当两个设备的电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。
什么是电平标准？
电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：
TTL电平：+3.3V或者+5V表示1，0V表示0
RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0
RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）
