UART是一種通信協(xié)議，用于將數(shù)據(jù)從一個設(shè)備發(fā)送到另一個設(shè)備。在流行的微控制器通信協(xié)議（UART、SPI和I2C）中，UART是最先開發(fā)的。

　　UART代表通用異步接收器和發(fā)送器。同步協(xié)議具有獨立的時鐘和數(shù)據(jù)線路，時鐘線路用于觸發(fā)數(shù)據(jù)線的讀取（或?qū)懭耄ART是異步的，這意味著它只有數(shù)據(jù)線，沒有時鐘線。不使用時鐘線，數(shù)據(jù)以特定的速度傳輸，接收器和發(fā)送器都需要設(shè)置為相同的速度（稱為波特率），才能成功進行通信。UART通常有兩條數(shù)據(jù)線，即發(fā)送（Tx）和接收（Rx），因此數(shù)據(jù)可以同時雙向發(fā)送（全雙工）。

　　UART幀

　　沒有數(shù)據(jù)傳輸時，UART數(shù)據(jù)線空閑高電平。數(shù)據(jù)傳輸通過將線路拉低1位開始。起始位之后，發(fā)送數(shù)據(jù)位。隨后是一個停止位，此時線路再次變?yōu)楦唠娖健?/p>

　　例如，下面是二進制數(shù)01011110（十六進制0x7A）的傳輸：

　　框架的一些變化是可能的，但是上面顯示的框架設(shè)置是最常見的。關(guān)于框架變化的更多細節(jié)將在本文后面介紹。多個字節(jié)一個接一個地直接鏈接，中間不需要空閑時間；例如，下面是十六進制序列0x1A9E2B：

　　波特率

　　通信發(fā)生的速度稱為波特率。波特率以每秒位數(shù)（bps）為單位，常用的速率有9600、19200和115200。對于具有1個停止位且沒有奇偶校驗位的成幀設(shè)置（稍后將詳細描述），傳輸8個數(shù)據(jù)位（1個字節(jié)）需要10個位；因此，在9600波特時，這意味著數(shù)據(jù)速率為每秒960字節(jié)，或每字節(jié)1毫秒多一點。

　　因為該協(xié)議是異步的，并且不使用時鐘，所以發(fā)送器和接收器都需要使用它們的內(nèi)部時鐘（例如微控制器中的系統(tǒng)時鐘）來為信號計時。有時，發(fā)送器或接收器可能無法產(chǎn)生所要求的準(zhǔn)確波特率，因為可能的波特率通常是收發(fā)器內(nèi)部時鐘速度的一個因素——在這種情況下，實際波特率將偏離所要求的波特率一定的百分比，但只要偏差在一定的容差范圍內(nèi)，則通信仍然可以正常工作；通常，3%是通信仍能成功進行的最大可能偏差。通常可以檢查微控制器（或其它收發(fā)器）數(shù)據(jù)手冊，以計算可能的精確波特率（因此也可以計算其它速率的%偏差）。

　　自動竊聽

　　一些系統(tǒng)支持自動波特率，即接收器在分析從發(fā)送器接收的一些數(shù)據(jù)后自動檢測波特率。這是通過測量數(shù)據(jù)中最小脈沖的寬度來實現(xiàn)的，例如，如果最小脈沖寬度為8.68 s，則波特率為115200bps。

　　流控制

　　UART可以選擇具有額外的流量控制線路，當(dāng)接收器繁忙而無法立即接收更多數(shù)據(jù)時，這些線路會向發(fā)送器發(fā)出指示。例如，當(dāng)無線電調(diào)制解調(diào)器（如藍牙模塊）接收通過UART接收的數(shù)據(jù)并通過空中傳輸時，這可能很有用，因為空中傳輸數(shù)據(jù)速率比UART數(shù)據(jù)速率慢（甚至可能是暫時的，如無線電波被其他流量阻塞）。流量控制線稱為請求發(fā)送（RTS）和清除發(fā)送（CTS），一個收發(fā)器的RTS線連接到另一個收發(fā)器的CTS線，反之亦然。想要發(fā)送的收發(fā)器監(jiān)控另一個收發(fā)器的CTS線路（連接到第一個收發(fā)器的RTS引腳），當(dāng)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)時，將CTS線路設(shè)為高電平。

　　協(xié)議變化

　　到目前為止，UART協(xié)議最常用的變體是8N1，它是：

　　8個數(shù)據(jù)位。

　　沒有奇偶校驗位。

　　1個停止位。

　　所用的數(shù)據(jù)位數(shù)量可在5至9之間變化（盡管大多數(shù)微控制器UART外設(shè)僅支持8或9位）。在使用第9位的情況下，這通常用于指示該幀是數(shù)據(jù)還是控制消息。

　　具有2個停止位提供了對幀的額外錯誤檢查（如果兩個停止位都不存在，則存在錯誤）。

　　奇偶校驗是另一種形式的錯誤檢查，其中設(shè)置了一個附加位，以使幀中1的數(shù)量為偶數(shù)或奇數(shù)。例如：對于偶數(shù)奇偶校驗，如果數(shù)據(jù)中1的數(shù)量為3，則將設(shè)置奇偶校驗位，使得幀中1的數(shù)量為4（偶數(shù)）。對于奇數(shù)奇偶校驗，如果數(shù)據(jù)中1的數(shù)量為4，則將設(shè)置奇偶校驗位，使得幀中1的數(shù)量為5（奇數(shù)）。

　　協(xié)議錯誤

　　當(dāng)信號不符合UART標(biāo)準(zhǔn)時，可能會出現(xiàn)各種協(xié)議錯誤，許多微控制器具有內(nèi)置硬件支持來檢測和報告這些錯誤。由于通信線路中的干擾（如電磁干擾，即EMI）、不匹配的協(xié)議設(shè)置或不匹配的波特率，可能會出現(xiàn)錯誤。

　　成幀錯誤：在預(yù)期位置未檢測到停止位。

　　奇偶校驗錯誤：奇偶校驗不正確。

　　噪聲誤差：在線路上檢測到短于波特率的轉(zhuǎn)換（脈沖）。一些微控制器具有過采樣特性，UART線路每比特被讀取一次以上，該特性用于檢測噪聲。

　　接線

　　UART的一個非常常見（也很容易犯）的錯誤是通信接線錯誤——必須記住，一端的Rx連接到另一端的Tx，反之亦然。這同樣適用于流量控制管線——一側(cè)的RTS通向另一側(cè)的CTS，反之亦然。更糟糕的是，一些制造商根據(jù)主機上應(yīng)該連接的位置來標(biāo)記他們外圍設(shè)備上的引腳！因此，在這些設(shè)備上，主機上的Rx確實連接到外圍設(shè)備上的Rx（依此類推）。利用器件數(shù)據(jù)手冊仔細檢查UART接線總是一個好主意。例如，下面是一個GSM模塊數(shù)據(jù)手冊的摘錄，其中從模塊的角度對引腳進行了標(biāo)記：

　　這是另一個GSM模塊數(shù)據(jù)手冊的摘錄，其中引腳從主機角度進行了標(biāo)記：

　　MISO（主機輸入-從機輸出）/ MOSI（主機輸出-從機輸入）的SPI命名方案在避免這類愚蠢（且代價高昂）的錯誤方面要好得多，但這不適用于UART——然而，在繪制原理圖時，徹底命名網(wǎng)絡(luò)（如藍牙_Tx）會有所幫助，這將有助于避免錯誤。

　　物理層

　　UART通信可以通過各種物理硬件方案進行。其中一些是TTL、RS232和RS485：

　　TTL代表晶體管到晶體管邏輯（參見我們的模擬和數(shù)字信號文章），適用于短距離通信。高的一般是5V或者3.3V，低的是0V。

　　RS232曾經(jīng)在電腦上很常見，后來被USB取代了。RS232的高電平在-3V到-15V之間，低電平在3V到15V之間。自從RS232被USB取代后，USB轉(zhuǎn)串行轉(zhuǎn)換器芯片變得很常見（如無處不在的FT232），它在計算機上表現(xiàn)為一個虛擬的COM端口。

　　RS485是一種差分對實現(xiàn)方式，在抗電磁干擾（EMI）和長距離通信方面更勝一籌。有關(guān)差分對的更多信息，請參閱我們的高速設(shè)計文章。

　　盡管UART是最早開發(fā)的通信協(xié)議之一，但它今天仍然和以往一樣相關(guān)和受歡迎，對該協(xié)議有一點了解有助于理解如何在您的應(yīng)用中最好地實現(xiàn)它，以及如何調(diào)試任何問題（例如使用示波器）。Proteus提供了虛擬終端和示波器儀器，用于在仿真下使用UART，此外還提供了組件庫中大量支持UART的器件。

　　審核編輯：黃飛