UART定义、协议、工作模式详解_uart 奇偶校验

UART基本定义

      通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART通常被集成于其他通讯接口的连接上。

      它不是像SPI和I2C这样的通信协议，而是微控制器中独立的物理电路或独立的IC。

      UART最好的一点是它只使用三根线就可以在设备之间传输数据，UART背后的原理很容易理解。

 

      发送UART将来自CPU等控制设备的并行数据转换为串行形式，并将其串行发送到接收UART，接收UART然后将串行数据转换回接收设备的并行数据。在两个UART之间传输数据只需要两根线。数据从发送UART的Tx引脚流向接收UART的Rx引脚：

 

UART工作模式

      因为有两根数据线TX和RX，所以，可以以全双工的形式进行发送和接收数据。

             

UART帧格式（UART协议）  

      单片机与PC之间的通信，为了保证数据通信的可靠性，双方都必须遵从UART协议。 

  

       其中各位的含义如下：

空闲位：空闲时数据线为高电平状态，代表无数据传输。

起始位：为了开始数据传输，发送UART发送1位逻辑0（低电平）。当接收UART检测到高电压到低电压转换时，它开始以波特率的频率读取数据帧中的位，开始传输数据。

数据位：可以是5~8位的数据，先发低位，再发高位，一般常见的就是8位（1个字节），其他的如7位的ASCII码。

校验位：奇偶校验，将数据位加上校验位，1的位数为偶数（偶校验），1的位数为奇数（奇校验）。奇偶校验位是接收UART在传输过程中判断是否有任何数据发生变化的一种方法。电磁辐射、不匹配的波特率或长距离传输时，数据都有可能发生变化。接收UART读取数据帧后，它会计算值为1的位数，并检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0（偶校验），则数据帧中的1位应总计为偶数。如果奇偶校验位是1（奇校验），则数据帧中的1位应总计为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART知道传输没有错误。但如果奇偶校验位为0，然而1位总计为奇数；或者奇偶校验位是1，并且1位总计是偶数，则数据帧中的位已经改变。  

停止位：停止位是数据传输结束的标志，可以是1/1.5/2位的逻辑1（高电平）。

      举个栗子：如果我们传输数据0X33（00110011），那么对应的波形就是如下这样，因为是LSB在前，所以8位数据依次是11001100。

 

                                                          发送0X33数据帧格式 

      如果再发其他数据，再依次循环这个过程即可。 

      UART是异步传输，以1个字符为传输单位，传输2个字符之间的时间间隔，比如传输0X33后再传输0X35，这两者时间间隔是未知的。

但是同一字符内相邻位间的时间间隔是确定的，比如0X33低两位的1和1之间的时间间隔是确定的，这涉及到UART传输速率的概念——波特率。

波特率的单位是bps，全称是bit per second，意为每秒钟传输的bit数量。

波特率9600bps，代表每秒钟传输bit的数量为9600，那么传输1bit数据的时间就是1/9600=104us，波特率115200bps，代表传输1bit数据的时间是8us。

串口之间发送和接收数据过程 

      UART以异步方式发送数据，这意味着没有时钟信号将发送UART的位输出与接收UART的位采样同步。发送UART不是时钟信号，而是将开始和停止位添加到正在传输的数据包中。这些位定义数据包的开始和结束，因此接收UART知道何时开始读取位。

      两个UART还必须配置为发送和接收相同的数据包结构。

 

      首先，UART1以9600波特率发送0X33，先在数据线上放1个104us脉宽的低电平（起始位），然后是连续2个104us脉宽的高电平（2bit逻辑1），依次类推。当接收UART检测到起始位时，它开始以9600波特率接收0X33，通过数这些数据的脉宽，来确认数据。为了确保数据传输的正确性，减少误差，一般UART1和UART2之间的波特率差别小于10%，一次最多只能传输1个字节（8bit），也有效减小了累计误差。

 ①发送UART从数据总线并行接收数据

                                     

  ②发送UART将起始位，奇偶校验位和停止位添加到数据帧

                             

 ③整个数据包从发送UART串行发送到接收UART。接收UART以预先配置的波特率对数据线进行采样

           

④接收UART丢弃数据帧中的起始位，奇偶校验位和停止位 

                 

  ⑤接收UART将串行数据转换回并行并将其传输到接收端的数据总线

                                          

 UART优缺点

  

      优点：只使用两根电线；不需要时钟信号；有一个奇偶校验位；只要双方设置后，就可以改变数据包的结构；有完整的文档并且具有广泛的使用。

      缺点：数据帧的大小限制为最多9位；不支持多个从属或多个主系统；每个UART的波特率必须在10％之内。