- Universal synchronous / asynchronous receiver transmitter
- 通用同步 / 异步 接收发送器，俗称"串口"
通信相关概念
单工/双工/全双工/半双工
- 对通信方向的描述
- 单工，指通信方向只能是从A到B
- 双工，指通信方向可以从A到B，也可以B到A
- 全双工和半双工的区别在于，在同一个时刻，是否A和B能同时向对方发送数据
异步/同步
- 区别在于通信双方是否有同步信号CLK，异步：没有，同步：有
- 同步通信
- 异步通信
- 常见的异步通信方式有：串口（UART），USB，CAN
- 常见的同步通信方式有：SPI，I2C等
串行/并行
- 串行通信，指数据在数据线上，一位一位的顺序传送
- 并行通信，指同时有多位数据在多条数据线上一起传送
- 并行通信效率高，但占用的数据通信线多，一般用于MCU与存储器、高分辨率的显示屏的通信
- 串行通信效率低，但占用的数据通信线少，线路简单
UART 通信
- UART理论上是全双工异步串行通信
- 波特率：每秒传输二进制数的位数，单位是位/秒，缩写成bps，例如115200bps，表示每秒传输115200个二进制位，波特率通常是约定的值，不任意取值，常见的有4800，9600，19200，38400，57600，115200，还可以更高
- 起始位 Start Bit：没有数据传输的时候，数据发送脚必须是逻辑1，开始传输数据，则每个字节需要有1位时间的逻辑0，通知接收方
- 有效数据：跟在起始位后面的正式数据，通常为8位，注意，传输过程是低位在先(LSB)
- 数据校验：在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。用于检查传输过程中是否由于干扰造成数据错误。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)
- 奇校验：要求有效数据和校验位中"1"的个数为奇数，比如有效位数据为"01000010"，其中有2个"1"，则校验位需要为"1"，让"1"的个数为奇数
- 偶校验：和奇校验相反，要求有效数据和校验位中"1"的个数位偶数
- 停止位 Stop Bit：有效数据传输完成后，标志传输停止的数据位，必须是逻辑1，持续位宽可以是1或2位时间
数据通信格式
- 示例
- UART 通信的基本单位是一帧数据：
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┌─────────┬──────────────┬─────────────┬─────────────┐
│ 起始位 │ 数据位 │ 校验位 │ 停止位 │
│ (Start) │ (Data bits) │ (Parity) │ (Stop) │
├─────────┼──────────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 1 bit │ 5~8 bits │ 0 or 1 bit │ 1~2 bits │
│ 逻辑0 │ LSB 先传 │ 可选 │ 逻辑1 │
└─────────┴──────────────┴─────────────┴─────────────┘| 字段 | 电平 | 作用 |
|---|---|---|
| 起始位 | 逻辑 0 | 通知接收方"数据要来了"，用于同步 |
| 数据位 | 0/1 | 实际传输的数据，低位先传（LSB First） |
| 校验位 | 0/1 | 可选，用于检错（奇校验或偶校验） |
| 停止位 | 逻辑 1 | 标志一帧结束，给接收方准备下一帧的时间 |
通信流程
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发送端 TX： 空闲(高) [起始位0] [数据位 LSB→MSB] [校验位] [停止位1] 空闲(高)
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
接收端 RX： 空闲(高) 检测下降沿 中间点采样 检错 检测停止位 存入缓冲区参数约定
| 参数 | 说明 | 常见值 |
|---|---|---|
| 波特率 | 每秒传输的位数 | 9600, 115200, 460800 等 |
| 数据位 | 每帧数据的有效位数 | 5, 6, 7, 8 位（常用 8 位） |
| 停止位 | 每帧结束的标志位数 | 1, 1.5, 2 位（常用 1 位） |
| 校验位 | 可选，用于简单检错 | 无校验、奇校验、偶校验 |
这些参数必须收发双方完全一致，否则通信会乱码
发送流程
- 以发送一个字节 0x53 为例，假设配置：9600 波特率，8 数据位，1 停止位，无校验
步骤 1：空闲状态
- TX 线保持高电平（逻辑 1），表示线路空闲
步骤 2：发送起始位
- TX 线拉低（逻辑 0），持续 1 个位时间（1/9600 ≈ 104μs）
- 接收方检测到这个下降沿，开始同步
步骤 3：发送数据位
- 从 LSB（最低位） 开始，逐位发送数据
- 0x53 = 0101 0011（二进制）
- 发送顺序：1 → 1 → 0 → 0 → 1 → 0 → 1 → 0（从低位到高位）
- 每个位持续 1 个位时间
步骤 4：发送校验位
- 如果有校验位，在此发送
步骤 5：发送停止位
- TX 线拉高（逻辑 1），持续 1 个位时间（或 1.5/2 个）
- 接收方检测到停止位，知道一帧结束
步骤 6：可选的空闲或下一帧
- 如果没有下一帧数据，TX 保持高电平空闲
- 如果有下一帧数据，重复步骤 2~5
接收流程
- 接收方的采样时机是关键：
- 采样策略（以过采样为例）
- UART 控制器通常使用 16 倍波特率时钟进行过采样
- 在检测到起始位（下降沿）后，在每个位的中间点进行采样，避免边沿抖动
- 接收步骤
- 检测起始位：检测到 TX 线从高→低跳变，开始同步
- 采样数据位：在每个数据位的中间点采样，得到 8 位数据（LSB 先到）
- 校验（可选）：计算校验位，与接收到的校验位对比，不一致则标记错误
- 检测停止位：确认停止位为高电平，否则标记帧错误
- 存入缓冲区：将接收到的字节存入 RX 缓冲区，供 CPU 读取
UART通信的与TTL\232\485关系
TTL电平串行通信
- 简单的说，MCU的UART引脚发出的电平就是TTL电平
- 用低电平（0V）表示逻辑0（也称之为 space ，空号），用高电平（3.3V或5V）表示逻辑1（也称之为 mark , 传号），这种编码模式称之为 NRZ码------不归零编码
- 收发双方的发送和接收需要交叉连接。一般通信距离小于1m
RS232串行通信
- 用-3V～-15V表示逻辑1，+3～+15V表示逻辑0
- 可以增加传输距离，最大15米
- 有RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线
- 一般使用DB9接口
硬件流控
在通信双方处理数据的速度不匹配时使用
RTS （Require ToSend，发送请求）为输出信号，用于指示本设备准备好可接收数据，低电平
有效，低电平说明本设备可以接收数据
CTS （Clear ToSend，发送允许）为输入信号，用于判断是否可以向对方发送数据，低电平有
效，低电平说明本设备可以向对方发送数据
RS485串行通信
- 用一对双绞线传输数据，用线A和线B的相对电压表示逻辑电平，称之为差分电平
- 发送端：逻辑"1"以两线间的电压差 +2V ~ +6V 表示；逻辑"0"以两线间的电压差 -2V ~ -6V表示
- 接收端：A 比B 高200mV 以上即认为是逻辑"0"，A 比B 低200mV 以上即认为是逻辑"1"
- 适合远距离传输，波特率位9600bps时，可达1200米
- 只能半双工传输，通常是一主多从结构，最多128个从机
注意
- 不同的电平之间转换------TTL电平的串口绝不能和RS232电平的串口直接连接通信，会损坏接口
- 接口一般不能热插拔------热插拔容易产生浪涌，导致接口芯片损坏。
- TTL和RS232需要共地------共模信号需要有共同的参考地电平才能判断出高低电平。
- 可以一发多收，但不能多发一收------驱动能力够的前提下，串口允许一发多收，类似于广播，但不能多发一收，电平会混乱甚至烧毁硬件电路。
- 注意MCU时钟频率误差对通信的影响------波特率越高，时钟误差的影响越大