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(shè)備到設(shè)備通信協(xié)議之一。本文介紹如何按照標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)。在串行通信中，數(shù)據(jù)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(jìn)行成功的串行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)應(yīng)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(shí)施成本。

在本文中，我們將討論使用 UART 時(shí)的基本原則，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)包傳輸、標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議和自定義幀協(xié)議，這些協(xié)議在實(shí)現(xiàn)時(shí)（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(chǎn)品開發(fā)過程中，本文檔還旨在分享在檢查數(shù)據(jù)手冊(cè)的實(shí)際使用情況時(shí)的一些基本步驟。

在文章的最后，目標(biāo)是更好地理解和遵守UART標(biāo)準(zhǔn)，以最大限度地提高功能和應(yīng)用，特別是在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)。

“溝通中最大的一個(gè)問題是它已經(jīng)發(fā)生的錯(cuò)覺。
——蕭伯納

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

嵌入式系統(tǒng)、微控制器和計(jì)算機(jī)大多使用UART作為設(shè)備到設(shè)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(nèi)部使用UART模塊時(shí)，通常會(huì)忽略幀協(xié)議的正確實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)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(shí)鐘信號(hào)來同步從發(fā)送設(shè)備到接收端的輸出位。

接口

圖1.兩個(gè)UART直接相互通信。

每個(gè)UART設(shè)備的兩個(gè)信號(hào)被命名為：

發(fā)射器（發(fā)射）

接收器（接收）

每個(gè)設(shè)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(shù)據(jù)。

圖2.帶數(shù)據(jù)總線的UART。

發(fā)送UART連接到以并行形式發(fā)送數(shù)據(jù)的控制數(shù)據(jù)總線。由此，數(shù)據(jù)現(xiàn)在將在傳輸線（線）上串行地一點(diǎn)一點(diǎn)地傳輸?shù)浇邮誙ART。反過來，這將把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為接收設(shè)備的并行數(shù)據(jù)。

UART線路用作向另一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的通信介質(zhì)。請(qǐng)注意，UART設(shè)備具有專用于發(fā)送或接收的發(fā)送和接收引腳。

對(duì)于UART和大多數(shù)串行通信，需要在發(fā)送和接收設(shè)備上設(shè)置相同的波特率。波特率是信息傳輸?shù)酵ㄐ磐ǖ赖乃俾?。在串?a target="_blank">端口上下文中，設(shè)置的波特率將用作每秒要傳輸?shù)淖畲笪粩?shù)。

表1總結(jié)了我們必須了解的有關(guān)UART的知識(shí)。

UART接口不使用時(shí)鐘信號(hào)來同步發(fā)射器和接收器設(shè)備;它異步傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)射器不是時(shí)鐘信號(hào)，而是基于其時(shí)鐘信號(hào)生成比特流，而接收器則使用其內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)對(duì)傳入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。通過在兩個(gè)設(shè)備上具有相同的波特率來管理同步點(diǎn)。否則可能會(huì)影響發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)間，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)差異。波特率的允許差異高達(dá)10%，在位的時(shí)序偏離太遠(yuǎn)之前。

數(shù)據(jù)傳輸

在UART中，傳輸模式是數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包并控制這些物理硬件線路。數(shù)據(jù)包由起始位、數(shù)據(jù)幀、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。

圖3.UART 數(shù)據(jù)包。

起始位

UART數(shù)據(jù)傳輸線在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)通常保持在高電壓電平。為了開始數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射UART將傳輸線從高到低拉一（1）個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)接收UART檢測(cè)到高低壓轉(zhuǎn)換時(shí)，它開始以波特率的頻率讀取數(shù)據(jù)幀中的位。

圖4.起始位。

數(shù)據(jù)框

數(shù)據(jù)框包含正在傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)。如果使用奇偶校驗(yàn)位，它可以是五 （5） 位，最多八 （8） 位長。如果未使用奇偶校驗(yàn)位，則數(shù)據(jù)幀的長度可以是九 （9） 位。在大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)首先以最低有效位發(fā)送。

圖5.數(shù)據(jù)框。

平價(jià)

奇偶校驗(yàn)描述了一個(gè)數(shù)字的偶數(shù)或奇數(shù)。奇偶校驗(yàn)位是接收UART判斷傳輸過程中是否有任何數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸來改變。

接收UART讀取數(shù)據(jù)幀后，計(jì)算值為1的位數(shù)，并檢查總數(shù)是偶數(shù)還是奇數(shù)。如果奇偶校驗(yàn)位為 0（偶數(shù)奇偶校驗(yàn)），則數(shù)據(jù)幀中的 1 或邏輯高位的總和應(yīng)為偶數(shù)。如果奇偶校驗(yàn)位為 1（奇偶校驗(yàn)），則數(shù)據(jù)框中的 1 位或邏輯高電平之和應(yīng)為奇數(shù)。

當(dāng)奇偶校驗(yàn)位與數(shù)據(jù)匹配時(shí)，UART知道傳輸沒有錯(cuò)誤。但是，如果奇偶校驗(yàn)位為 0，并且總數(shù)為奇數(shù)，或者奇偶校驗(yàn)位為 1，并且總數(shù)為偶數(shù)，則 UART 知道數(shù)據(jù)框中的位已更改。

圖6.奇偶校驗(yàn)位。

停止位

為了發(fā)出數(shù)據(jù)包結(jié)束的信號(hào)，發(fā)送UART將數(shù)據(jù)傳輸線從低壓驅(qū)動(dòng)到高壓，持續(xù)時(shí)間為一（1）到兩（2）位。

圖7.停止位。

UART傳輸?shù)牟襟E

第一：發(fā)送UART從數(shù)據(jù)總線并行接收數(shù)據(jù)。

圖8.數(shù)據(jù)總線到發(fā)送UART。

第二：發(fā)送UART將起始位、奇偶校驗(yàn)位和停止位添加到數(shù)據(jù)幀中。

圖9.Tx 側(cè)的 UART 數(shù)據(jù)幀。

第三：整個(gè)數(shù)據(jù)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(yù)配置的波特率對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。

圖 10.UART傳輸。

第四：接收UART丟棄數(shù)據(jù)框中的起始位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。

圖 11.接收端的 UART 數(shù)據(jù)框。

第五：接收UART將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)浇邮斩说臄?shù)據(jù)總線。

圖 12.接收UART到數(shù)據(jù)總線。

幀協(xié)議

UART中可用但尚未完全使用的一個(gè)關(guān)鍵功能是幀協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。這樣做的主要用途和重要性是為每個(gè)設(shè)備的安全性和保護(hù)增加值。

例如，當(dāng)兩個(gè)設(shè)備使用相同的UART幀協(xié)議時(shí)，有一種趨勢(shì)是，當(dāng)連接到同一UART而不檢查配置時(shí)，設(shè)備將連接到可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障的不同引腳。

另一方面，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可確保安全性，因?yàn)樾枰鶕?jù)設(shè)計(jì)框架協(xié)議解析收到的信息。每個(gè)幀協(xié)議都經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，具有唯一性和安全性。

在設(shè)計(jì)幀協(xié)議時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以為不同的設(shè)備設(shè)置所需的標(biāo)頭和尾部，包括CRC。在圖 13 中，將兩 （2） 個(gè)字節(jié)設(shè)置為標(biāo)頭的一部分。

第二：在內(nèi)存映射下，檢查UART地址。

圖 13.示例 UART 幀協(xié)議。

根據(jù)示例，可以設(shè)置設(shè)備唯一的標(biāo)頭、尾部和 CRC。

標(biāo)頭 1（H1 為 0xAB）和標(biāo)頭 2（H2 為 0xCD）

標(biāo)頭是確定您是否與正確的設(shè)備通信的唯一標(biāo)識(shí)符。

命令 （CMD） 選擇

命令將取決于旨在創(chuàng)建兩個(gè)設(shè)備之間通信的命令列表。

每個(gè)命令的數(shù)據(jù)長度 （DL）

數(shù)據(jù)長度將基于所選的命令。您可以根據(jù)所選命令最大化數(shù)據(jù)長度，因此數(shù)據(jù)長度會(huì)因選擇而異。在這種情況下，可以調(diào)整數(shù)據(jù)長度。

數(shù)據(jù) n（可變數(shù)據(jù)）

數(shù)據(jù)是要從設(shè)備傳輸?shù)挠行ж?fù)載。

拖車 1（T1 為 0xE1）和拖車 2（T2 為 0xE2）

拖車是在傳輸結(jié)束后添加的數(shù)據(jù)。就像標(biāo)頭一樣，它們可以被唯一標(biāo)識(shí)。

循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC公式）

循環(huán)冗余檢查公式是一種附加的錯(cuò)誤檢測(cè)模式，用于檢測(cè)對(duì)原始數(shù)據(jù)的意外更改。發(fā)射設(shè)備的CRC值必須始終等于接收端的CRC計(jì)算。

建議通過為每個(gè)UART設(shè)備實(shí)現(xiàn)幀協(xié)議來增加安全性。幀協(xié)議在發(fā)送和接收設(shè)備上需要相同的配置。

UART操作

使用任何硬件通信協(xié)議時(shí)，查看數(shù)據(jù)手冊(cè)和硬件參考手冊(cè)是先決條件。

以下是要遵循的步驟：

首先：檢查器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)接口。

圖 15.微控制器內(nèi)存圖。

第三：檢查UART端口的具體細(xì)節(jié)，如操作模式、數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗(yàn)位和停止位。數(shù)據(jù)表中的示例UART端口詳細(xì)信息：UART端口

示例MCU提供全雙工UART端口，該端口與PC標(biāo)準(zhǔn)UART完全兼容。UART 端口為其他外設(shè)或主機(jī)提供簡化的 UART 接口，支持串行數(shù)據(jù)的全雙工、DMA 和異步傳輸。UART 端口包括對(duì) 5 到 8 個(gè)數(shù)據(jù)位的支持，以及無奇偶校驗(yàn)、偶數(shù)奇偶校驗(yàn)或奇偶校驗(yàn)。幀終止一個(gè)半或兩個(gè)停止位。

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

UART 操作的示例詳細(xì)信息：

5 至 8 個(gè)數(shù)據(jù)位

1、2 或 1 和 1/2 停止位

無，偶數(shù)或奇偶校驗(yàn)

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?jǐn)?shù)波特率 M）

UART_FBR。DIVM = 1 到 3

N（DIVM 分?jǐn)?shù)波特率 M）

UART_FBR。DIVN = 0 到 2047

第五：對(duì)于波特率，請(qǐng)務(wù)必檢查要使用的外設(shè)時(shí)鐘（PCLK）。在本例中，有一個(gè) 26 MHz PCLK 和 16 MHz PCLK 可用。請(qǐng)注意，OSR、DIV、DIVM 和 DIVN 因設(shè)備而異。

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

第七：在每個(gè)寄存器下，檢查詳細(xì)信息并替換值以計(jì)算波特率，然后開始實(shí)施UART。

為什么它很重要？

在開發(fā)穩(wěn)健、質(zhì)量驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品時(shí)，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(shù)據(jù)，以及如何傳輸整個(gè)數(shù)據(jù)包或有效載荷，將有助于確保數(shù)據(jù)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(shí)可以在未來的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性。

使用案例

您可以將UART用于許多應(yīng)用程序，例如：

調(diào)試：在開發(fā)過程中及早檢測(cè)系統(tǒng)錯(cuò)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(jí)跟蹤：日志在制造中非常重要。它們通過提醒操作員生產(chǎn)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(dòng)態(tài)硬件和支持更新的軟件對(duì)于擁有完整的系統(tǒng)非常重要。

測(cè)試/驗(yàn)證：在產(chǎn)品離開制造過程之前對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證有助于向客戶提供最優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷