UART：了解通用異步接收器/發(fā)射器的硬件通信協(xié)議

作者：Eric Peňa and Mary Grace Legaspi

UART或通用異步接收器-發(fā)射器是最常用的設備到設備通信協(xié)議之一。本文介紹如何按照標準過程將 UART 用作硬件通信協(xié)議。

正確配置后，UART可以使用許多不同類型的串行協(xié)議，這些協(xié)議涉及發(fā)送和接收串行數據。在串行通信中，數據使用單線或電線逐位傳輸。在雙向通信中，我們使用兩條線進行成功的串行數據傳輸。根據應用和系統(tǒng)要求，串行通信需要較少的電路和電線，從而降低了實施成本。

在本文中，我們將討論使用 UART 時的基本原則，重點是數據包傳輸、標準幀協(xié)議和自定義幀協(xié)議，這些協(xié)議在實現時（尤其是在代碼開發(fā)期間）是安全合規(guī)性的增值功能。在產品開發(fā)過程中，本文檔還旨在分享在檢查數據手冊的實際使用情況時的一些基本步驟。

在文章的最后，目標是更好地理解和遵守UART標準，以最大限度地提高功能和應用，特別是在開發(fā)新產品時。

“溝通中最大的一個問題是它已經發(fā)生的錯覺。
——蕭伯納

通信協(xié)議在組織設備之間的通信方面起著重要作用。它根據系統(tǒng)要求以不同的方式設計，并且這些協(xié)議具有設備之間商定的特定規(guī)則以實現成功的通信。

嵌入式系統(tǒng)、微控制器和計算機大多使用UART作為設備到設備硬件通信協(xié)議的一種形式。在可用的通信協(xié)議中，UART僅使用兩根電線作為其發(fā)送端和接收端。

盡管它是一種廣泛使用的硬件通信協(xié)議方法，但它并沒有一直完全優(yōu)化。在微控制器內部使用UART模塊時，通常會忽略幀協(xié)議的正確實現。

根據定義，UART是一種硬件通信協(xié)議，它使用具有可配置速度的異步串行通信。異步意味著沒有時鐘信號來同步從發(fā)送設備到接收端的輸出位。

接口

圖1.兩個UART直接相互通信。

每個UART設備的兩個信號被命名為：

發(fā)射器（發(fā)射）

接收器（接收）

每個設備的發(fā)射器和接收器線的主要目的是發(fā)送和接收用于串行通信的串行數據。

圖2.帶數據總線的UART。

發(fā)送UART連接到以并行形式發(fā)送數據的控制數據總線。由此，數據現在將在傳輸線（線）上串行地一點一點地傳輸到接收UART。反過來，這將把串行數據轉換為接收設備的并行數據。

UART線路用作向另一個數據發(fā)送和接收數據的通信介質。請注意，UART設備具有專用于發(fā)送或接收的發(fā)送和接收引腳。

對于UART和大多數串行通信，需要在發(fā)送和接收設備上設置相同的波特率。波特率是信息傳輸到通信通道的速率。在串行端口上下文中，設置的波特率將用作每秒要傳輸的最大位數。

表1總結了我們必須了解的有關UART的知識。

電線	2
速度	9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600, 1000000, 1500000
傳輸方法	異步
最大母版數量	1
最大從屬數量	1

UART接口不使用時鐘信號來同步發(fā)射器和接收器設備;它異步傳輸數據。發(fā)射器不是時鐘信號，而是基于其時鐘信號生成比特流，而接收器則使用其內部時鐘信號對傳入數據進行采樣。通過在兩個設備上具有相同的波特率來管理同步點。否則可能會影響發(fā)送和接收數據的時間，從而導致數據處理過程中出現差異。波特率的允許差異高達10%，在位的時序偏離太遠之前。

數據傳輸

在UART中，傳輸模式是數據包的形式。連接發(fā)射器和接收器的部分包括創(chuàng)建串行數據包并控制這些物理硬件線路。數據包由起始位、數據幀、奇偶校驗位和停止位組成。

圖3.UART 數據包。

起始位

UART數據傳輸線在不傳輸數據時通常保持在高電壓電平。為了開始數據傳輸，發(fā)射UART將傳輸線從高到低拉一（1）個時鐘周期。當接收UART檢測到高低壓轉換時，它開始以波特率的頻率讀取數據幀中的位。

圖4.起始位。

數據框

數據框包含正在傳輸的實際數據。如果使用奇偶校驗位，它可以是五 （5） 位，最多八 （8） 位長。如果未使用奇偶校驗位，則數據幀的長度可以是九 （9） 位。在大多數情況下，數據首先以最低有效位發(fā)送。

圖5.數據框。

平價

奇偶校驗描述了一個數字的偶數或奇數。奇偶校驗位是接收UART判斷傳輸過程中是否有任何數據更改的一種方式。位可以通過電磁輻射、不匹配的波特率或長距離數據傳輸來改變。

接收UART讀取數據幀后，計算值為1的位數，并檢查總數是偶數還是奇數。如果奇偶校驗位為 0（偶數奇偶校驗），則數據幀中的 1 或邏輯高位的總和應為偶數。如果奇偶校驗位為 1（奇偶校驗），則數據框中的 1 位或邏輯高電平之和應為奇數。

當奇偶校驗位與數據匹配時，UART知道傳輸沒有錯誤。但是，如果奇偶校驗位為 0，并且總數為奇數，或者奇偶校驗位為 1，并且總數為偶數，則 UART 知道數據框中的位已更改。

圖6.奇偶校驗位。

停止位

為了發(fā)出數據包結束的信號，發(fā)送UART將數據傳輸線從低壓驅動到高壓，持續(xù)時間為一（1）到兩（2）位。

圖7.停止位。

UART傳輸的步驟

第一：發(fā)送UART從數據總線并行接收數據。

圖8.數據總線到發(fā)送UART。

第二：發(fā)送UART將起始位、奇偶校驗位和停止位添加到數據幀中。

圖9.Tx 側的 UART 數據幀。

第三：整個數據包從起始位到停止位從發(fā)送UART串行發(fā)送到接收UART。接收UART以預配置的波特率對數據線進行采樣。

圖 10.UART傳輸。

第四：接收UART丟棄數據框中的起始位、奇偶校驗位和停止位。

圖 11.接收端的 UART 數據框。

第五：接收UART將串行數據轉換回并行數據，并將其傳輸到接收端的數據總線。

圖 12.接收UART到數據總線。

幀協(xié)議

UART中可用但尚未完全使用的一個關鍵功能是幀協(xié)議的實現。這樣做的主要用途和重要性是為每個設備的安全性和保護增加值。

例如，當兩個設備使用相同的UART幀協(xié)議時，有一種趨勢是，當連接到同一UART而不檢查配置時，設備將連接到可能導致系統(tǒng)故障的不同引腳。

另一方面，實現這一點可確保安全性，因為需要根據設計框架協(xié)議解析收到的信息。每個幀協(xié)議都經過專門設計，具有唯一性和安全性。

在設計幀協(xié)議時，設計人員可以為不同的設備設置所需的標頭和尾部，包括CRC。在圖 13 中，將兩 （2） 個字節(jié)設置為標頭的一部分。

第二：在內存映射下，檢查UART地址。

圖 13.示例 UART 幀協(xié)議。

根據示例，可以設置設備唯一的標頭、尾部和 CRC。

標頭 1（H1 為 0xAB）和標頭 2（H2 為 0xCD）

標頭是確定您是否與正確的設備通信的唯一標識符。

命令 （CMD） 選擇

命令將取決于旨在創(chuàng)建兩個設備之間通信的命令列表。

每個命令的數據長度 （DL）

數據長度將基于所選的命令。您可以根據所選命令最大化數據長度，因此數據長度會因選擇而異。在這種情況下，可以調整數據長度。

數據 n（可變數據）

數據是要從設備傳輸的有效負載。

拖車 1（T1 為 0xE1）和拖車 2（T2 為 0xE2）

拖車是在傳輸結束后添加的數據。就像標頭一樣，它們可以被唯一標識。

循環(huán)冗余校驗（CRC公式）

循環(huán)冗余檢查公式是一種附加的錯誤檢測模式，用于檢測對原始數據的意外更改。發(fā)射設備的CRC值必須始終等于接收端的CRC計算。

建議通過為每個UART設備實現幀協(xié)議來增加安全性。幀協(xié)議在發(fā)送和接收設備上需要相同的配置。

UART操作

使用任何硬件通信協(xié)議時，查看數據手冊和硬件參考手冊是先決條件。

以下是要遵循的步驟：

首先：檢查器件的數據手冊接口。

圖 15.微控制器內存圖。

第三：檢查UART端口的具體細節(jié)，如操作模式、數據位長度、奇偶校驗位和停止位。數據表中的示例UART端口詳細信息：UART端口

示例MCU提供全雙工UART端口，該端口與PC標準UART完全兼容。UART 端口為其他外設或主機提供簡化的 UART 接口，支持串行數據的全雙工、DMA 和異步傳輸。UART 端口包括對 5 到 8 個數據位的支持，以及無奇偶校驗、偶數奇偶校驗或奇偶校驗。幀終止一個半或兩個停止位。

第四：檢查UART操作細節(jié)，包括波特率計算。波特率使用以下示例公式進行配置。此公式因微控制器而異。

UART 操作的示例詳細信息：

5 至 8 個數據位

1、2 或 1 和 1/2 停止位

無，偶數或奇偶校驗

可編程過采樣率 4、8、16、32

波特率 = PCLK/（（M + N/2048） × 2OSR + 2×

哪里

OSR（過采樣率）

UART_LCR2。OSR = 0 到 3

DIV（波特率分頻器）

UART_DIV = 1 到 65535

M （DIVM 分數波特率 M）

UART_FBR。DIVM = 1 到 3

N（DIVM 分數波特率 M）

UART_FBR。DIVN = 0 到 2047

第五：對于波特率，請務必檢查要使用的外設時鐘（PCLK）。在本例中，有一個 26 MHz PCLK 和 16 MHz PCLK 可用。請注意，OSR、DIV、DIVM 和 DIVN 因設備而異。

波特率	OSR	DIV	迪姆	迪文
9600	3	24	3	1078
115200	3	4	1	1563

波特率	OSR	DIV	迪姆	迪文
9600	3	17	3	1078
115200	3	2	2	348

第六：下一部分是檢查UART配置的詳細寄存器。查看計算波特率的參數，例如UART_LCR2、UART_DIV和UART_FBR。表4將引出一個特定的寄存器來覆蓋。

名字	描述
UART_DIV	波特率分頻器
UART_FIBR	分數波特率
UART_LCR2	二線控制

第七：在每個寄存器下，檢查詳細信息并替換值以計算波特率，然后開始實施UART。

為什么它很重要？

在開發(fā)穩(wěn)健、質量驅動的產品時，熟悉UART通信協(xié)議是有利的。了解如何僅使用兩條線發(fā)送數據，以及如何傳輸整個數據包或有效載荷，將有助于確保數據傳輸和接收無誤。由于UART是最常用的硬件通信協(xié)議，因此這些知識可以在未來的設計中實現設計靈活性。

使用案例

您可以將UART用于許多應用程序，例如：

調試：在開發(fā)過程中及早檢測系統(tǒng)錯誤非常重要。在這種情況下，添加 UART 可以通過從系統(tǒng)捕獲消息來幫助。

制造功能級跟蹤：日志在制造中非常重要。它們通過提醒操作員生產線上發(fā)生的情況來確定功能。

客戶或客戶端更新：軟件更新非常重要。擁有完整的動態(tài)硬件和支持更新的軟件對于擁有完整的系統(tǒng)非常重要。

測試/驗證：在產品離開制造過程之前對其進行驗證有助于向客戶提供最優(yōu)質的產品。

審核編輯：郭婷