嵌入式五大通信協(xié)議詳解（一） UART

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一、定義

??通用異步收發(fā)傳輸器UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。是一種串行、異步、全雙工的通用數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其特點(diǎn)是通信線路簡單，只需要一對TX、RX的傳輸線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，根據(jù)約定時(shí)序進(jìn)行傳輸，但是相對而言傳輸速率不高。其衍生實(shí)體如基于TTL的UART通訊、基于RS232的UART通訊以及基于RS485的UART通訊等。
??注：USART是一個(gè)串行通信設(shè)備，可以靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。USART是指單片機(jī)的一個(gè)端口模塊，可以根據(jù)需要配置成同步模式（增加了同步時(shí)鐘），也可以將其配置為異步模式，后者就是UART。所以說UART姑且可以稱之為一個(gè)與SPI，I2C對等的“協(xié)議”，而USART則不是一個(gè)協(xié)議，而是更應(yīng)該理解為一個(gè)實(shí)體。

二、數(shù)據(jù)協(xié)議

2.1 電氣連接形式

??UART通信協(xié)議包含兩根數(shù)據(jù)線分別為RX、TX，兩個(gè)UART通信設(shè)備通信過程交錯(cuò)連接，實(shí)現(xiàn)全雙工獨(dú)立通信。雙方通信設(shè)備通過約定好波特率、起始位、校驗(yàn)位、停止位等核心配置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
嵌入式五大通信協(xié)議詳解（一） UART

2.2 幀格式

嵌入式五大通信協(xié)議詳解（一） UART
??幀格式詳解：

起始位：在開始一次通信傳輸時(shí)，發(fā)送方先發(fā)送一個(gè)邏輯0的低電平信號，表示傳輸字符開始。因?yàn)榭偩€空閑時(shí)為高電平，所以開始一次通信時(shí)先發(fā)送一個(gè)明顯區(qū)別于空閑狀態(tài)的信號即低電平。
數(shù)據(jù)位：起始位發(fā)送完成后，接收方開始接收數(shù)據(jù)。起始位后面就是數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位可以是5、6、7、8，9位等，構(gòu)成一個(gè)字符（一般都是8位），發(fā)送順序?yàn)?strong>先發(fā)送最低位，最后發(fā)送最高位，使用低電平表示0高電平表示1完成數(shù)據(jù)位的傳輸。
奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，使得1的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送的正確性。串口校驗(yàn)?zāi)Ｊ椒譃橐韵聨追N：
- 無校驗(yàn)（no parity）。
- 奇校驗(yàn)（odd parity）：如果數(shù)據(jù)位中1的數(shù)目是偶數(shù)，則校驗(yàn)位為1，如果1的數(shù)目是奇數(shù)，校驗(yàn)位為0。
- 偶校驗(yàn)（even parity）：如果數(shù)據(jù)為中1的數(shù)目是偶數(shù)，則校驗(yàn)位為0，如果為奇數(shù)，校驗(yàn)位為1。
- mark parity：校驗(yàn)位始終為1（不常用）。
- parity：校驗(yàn)位始終為0（不常用）。
停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?code>1位、1.5位、2位的高電平。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備之間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘的機(jī)會。停止位個(gè)數(shù)越多，數(shù)據(jù)傳輸越穩(wěn)定，但是數(shù)據(jù)傳輸速度也越慢。
空閑位：UART協(xié)議規(guī)定，當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)信號線的狀態(tài)為1即高電平，表示當(dāng)前線路上沒有數(shù)據(jù)傳輸。
波特率: 波特率是UART協(xié)議，或者說所有異步串行協(xié)議，非常重要的一個(gè)概念，波特率表示一秒內(nèi)傳輸了多少個(gè)碼元數(shù)量，一般波特率為300，1200，2400，9600，19200，38400，115200等。例如9600 Baud表示一秒內(nèi)傳輸了9600個(gè)碼元信息，當(dāng)一個(gè)碼元只含1 bit信息時(shí)，波特率=比特率。

2.3 存在問題

電氣接口不統(tǒng)一。UART在通信過程中一般使用處理器的電平信號，即TTL電平，但不同處理器的電平一般存在差異，在通信時(shí)需要轉(zhuǎn)換電平
抗干擾能力差。UART 在使用過程中使用TTL來表示邏輯0和邏輯1，但是TTL抗干擾能力差，傳輸數(shù)據(jù)過程容易出錯(cuò)。
通信距離短。因?yàn)門TL的抗干擾能力差，因此傳輸距離很短，一般用于短距離傳輸。

三、協(xié)議常見應(yīng)用

??面對UART存在的問題，工業(yè)上對串口協(xié)議做出了改進(jìn)，增強(qiáng)了其電氣特性。如常用的RS232和RS485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。我們來認(rèn)識一下它們。

3.1 RS232通信接口（全雙工通信）

??RS232通訊又叫串口通訊方式,是指計(jì)算機(jī)通過RS232國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議用串口連接線和單臺設(shè)備（控制器）進(jìn)行通訊的方式。

電氣接口：通常 RS-232 接口以9個(gè)引腳 (DB-9) 或是25個(gè)引腳 (DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會有兩組 RS-232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。
通訊距離：9600波特率下建議在13米以內(nèi)。
通訊速率（波特率 Baud Rate）：缺省常用的是 9600 bps，常見的還有 1200 2400 4800 19200 38400等。波特率越大，傳輸速度越快，但穩(wěn)定的傳輸距離越短，抗干擾能力越差。傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps。
電平特性：傳輸電平信號接口的信號電平值較高(信號1為-3V至-15V,信號0為3至15V)，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平(0~<0.8v,1~2.0V)不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。另外抗干擾能力差。
抗干擾性：接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。
多點(diǎn)通訊：RS232接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，不能支持多站收發(fā)能力，所以只能點(diǎn)對點(diǎn)通信，不支持多點(diǎn)通訊。

3.2 RS485通信接口（半雙工通信）

??RS485通訊RS-232一樣，都是串行通信標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)名稱是TIA485/EIA-485-A，但是人們會習(xí)慣稱為RS-485標(biāo)準(zhǔn)，RS-485常用在工業(yè)、自動化、汽車和建筑物管理等領(lǐng)域。RS-485總線彌補(bǔ)了RS-232通信距離短，速率低的缺點(diǎn)，RS-485的速率可高達(dá)10Mbit/s，理論通訊距離可達(dá)1200米；RS-485和RS-232的單端傳輸不一樣，是差分傳輸，使用一對雙絞線，其中一根線定義為A，另一個(gè)定義為B文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-448603.html

電氣接口：通常 RS-485 接口以9個(gè)引腳 (DB-9) 或是25個(gè)引腳 (DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)。
通訊距離：RS485最大無線傳輸距離為1200米。最大傳輸速率為10Mbps，在100Kb/S的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離。采用阻抗匹配、低衰減的專用電纜可以達(dá)到1800米！超過1200米，可加中繼器（最多8只），這樣傳輸距離接近10Km。
通訊速率（波特率 Baud Rate）：缺省常用的是 9600 bps，常見的還有 1200 2400 4800 19200 38400等。波特率越大，傳輸速度越快，但穩(wěn)定的傳輸距離越短，抗干擾能力越差。傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps。
電平特性：傳輸差分信號邏輯1以兩線間的電壓差為+（2—6） V表示；邏輯0以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。
抗干擾性：接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。
多點(diǎn)通信：RS485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站通訊能力，這樣用戶可以利用單一的RS485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。
??補(bǔ)充：共模傳輸和差模傳輸:

??采用共模傳輸方式時(shí)，共模噪聲將會疊加在最終的輸出信號上面，污染了原始的信號。

??采用差模傳輸方式，則源端發(fā)出的信號+與信號-相位是相反的，而對于共模噪聲而言在+/-兩條線上都會存在，理想情況是等幅同相的，而接收端，相當(dāng)于一個(gè)減法器，有用信號由于相位相反則經(jīng)過減法器仍然保留，而噪聲則會被抵消。而實(shí)際電路中，則會大幅度削弱。
??由此可見，差模傳輸相對于共模傳輸方式，優(yōu)勢在于差模方式可以有效抵消共模干擾。