嵌入式第四十六篇——51单片机基础——UART通信

一、UART 基本概念

UART（Universal Async Receiver Transmitter），即通用异步收发器 ，是一种硬件接口及通信协议，用于设备间的异步串行通信。核心特性：

• 通信模式：异步、全双工、串行
• 无需时钟线同步，通过约定参数保证数据传输一致性

二、UART 接线方式

UART 核心接线引脚共 4 个，通信时需遵循交叉连接原则：

引脚	功能	接线注意事项
VCC	接电源正极	需与外设电源电压匹配
GND	接地	必须共地，否则会出现信号干扰
RXD	数据接收线	与外设的 TXD 引脚相连
TXD	数据发送线	与外设的 RXD 引脚相连

关键规则：设备 A 的 TXD ↔ 设备 B 的 RXD；设备 A 的 RXD ↔ 设备 B 的 TXD。

三、通信方式分类（按数据传输方向）

通信方式	核心特点	数据线数量	传输方向限制
单工	收发角色固定	1 根	仅单向传输
半双工	收发角色可切换	1 根	同一时刻仅能单向传输
全双工	收发角色可同时进行	2 根	任意时刻双向传输（UART 采用此方式）

四、数据传输形式：串行 vs 并行

传输形式	传输原理	优缺点
串行	单根数据线，数据按 bit 位顺序逐个发送	优点：硬件成本低、传输距离远、抗干扰性好缺点：传输速率慢
并行	多根数据线，多个 bit 位同时发送	优点：传输速率快缺点：硬件成本高、传输距离近、抗干扰性差（易受信号偏移和电磁干扰）

五、UART 数据发送顺序

遵循 LSB（最低位）优先 原则，低位先行发送。示例：发送数据 0xA6（二进制 10100110）

位序号	bit7（MSB）	bit6	bit5	bit4	bit3	bit2	bit1	bit0（LSB）
数据值	1	0	1	0	0	1	1	0
发送顺序	8	7	6	5	4	3	2	1

六、串口通信核心参数（4 大参数）

通信双方必须参数一致，否则会出现数据乱码，格式表示为 波特率 数据位 校验位 停止位。

1. 波特率
   • 定义：每秒传输的 bit 数，衡量传输速率
   • 常用值：2400、4800、9600、115200
2. 数据位
   • 定义：每个数据帧中有效数据的 bit 位数
   • 常用值：8 位（最常用）
3. 校验位
   • 作用：用于检测数据传输错误（无法检测偶数个 bit 错误）
   • 类型：
     • N（None）：无校验
     • E（Even）：偶校验，数据位 + 校验位的 1 的总数为偶数
     • O（Odd）：奇校验，数据位 + 校验位的 1 的总数为奇数
4. 停止位
   • 定义：每个数据帧的结束标志位
   • 常用值：1 位

常见参数组合：9600 8 N 1、2400 8 E 1、115200 8 O 1

七、同步通信 vs 异步通信

通信类型	同步方式	硬件需求	核心特点
同步	时钟线同步通信频率	需时钟线	传输精度高，硬件复杂
异步	无时钟线，靠约定参数同步	无需时钟线	硬件简单，UART 采用此方式

八、UART 相关寄存器配置（以 51 单片机为例）

1. SCON 寄存器（串口控制寄存器）

配置操作	功能说明
清 0 bit6、bit7	初始化串口模式相关位
置 1 bit6	串口工作在 8 位 UART 模式，波特率可变
置 1 REN 位	允许串口接收数据
TI 位	发送中断标志位：数据发送完毕自动置 1，需软件清 0
RI 位	接收中断标志位：数据接收完毕自动置 1，需软件清 0

2. PCON 寄存器（电源控制寄存器）

配置操作	功能说明
置 1 SMOD 位	波特率翻倍
清 0 SMOD0 位	由 SCON 的 SM0、SM1 位指定串口工作模式

3. 波特率计算（定时器 1 8 位自动重装模式）

• 需根据目标波特率计算定时器初值
• 主机与从机的波特率必须一致

九、主机与从机的概念

角色	核心权限	通信逻辑
主机	拥有通信绝对控制权	主动发起通信，下发指令
从机	无主动通信权	接收主机指令，执行操作并回复应答