在數(shù)字通信領(lǐng)域，UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器）協(xié)議作為一種廣泛應(yīng)用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，扮演著至關(guān)重要的角色。它以其簡潔高效、成本低廉以及易于實現(xiàn)的特點，成為了嵌入式系統(tǒng)中最常用的通信方式之一。本文將深入探討UART協(xié)議的基本原理、結(jié)構(gòu)組成、工作原理及其在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢與局限性。
一、UART協(xié)議概述
UART是一種用于設(shè)備間異步串行通信的協(xié)議，主要應(yīng)用于微控制器、計算機與其他電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。與同步串行通信（如SPI、I2C）相比，UART通信不需要嚴(yán)格的時鐘同步，因此硬件實現(xiàn)更為簡單，適用于長距離和低速率的數(shù)據(jù)傳輸場景。
二、UART通信原理及結(jié)構(gòu)
1. 基本構(gòu)成
l發(fā)送器：負(fù)責(zé)將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流進行發(fā)送。
l接收器：對接收到的串行數(shù)據(jù)流進行解析，恢復(fù)為并行數(shù)據(jù)。
l波特率發(fā)生器：生成固定的時鐘頻率，決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/span>
2. 數(shù)據(jù)幀格式
UART數(shù)據(jù)以幀為單位進行傳輸，每幀數(shù)據(jù)包括起始位、數(shù)據(jù)位、可選的奇偶校驗位和停止位。具體格式如下：
l起始位：一位低電平信號，標(biāo)志著新數(shù)據(jù)幀的開始。
l數(shù)據(jù)位：通常為5至8位，根據(jù)配置決定實際位數(shù)，代表有效信息。
l奇偶校驗位（可選）：用于錯誤檢測，可以是奇校驗、偶校驗或無校驗。
l停止位：一位或兩位高電平信號，表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。
三、UART工作原理
1. 發(fā)送過程：發(fā)送端將待發(fā)送的數(shù)據(jù)加載到發(fā)送寄存器，通過移位寄存器從最低位開始逐位發(fā)送，同時插入起始位和停止位，形成完整的數(shù)據(jù)幀。
2. 接收過程：接收端在檢測到起始位后開始接收數(shù)據(jù)，通過移位寄存器逐位讀取，移除起始位和停止位，最終將剩余的數(shù)據(jù)位存入接收緩沖區(qū)。
3. 波特率匹配：雙方設(shè)備必須設(shè)定相同的波特率才能正確通信，即每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)一致，常見的波特率有9600、19200、115200等。
四、UART應(yīng)用優(yōu)勢與局限性
優(yōu)點：
l實現(xiàn)簡單：只需兩根線（TXD, RXD）即可實現(xiàn)雙向通信，適合資源有限的嵌入式系統(tǒng)。
l成本低：由于硬件要求低，制造和維護成本相對低廉。
l靈活性高：可調(diào)節(jié)波特率適應(yīng)不同傳輸速度需求，支持多種數(shù)據(jù)格式。
局限性：
l傳輸效率相對較低：相較于SPI等同步通信協(xié)議，UART因包含額外的起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)傳輸效率。
l距離限制：雖然可以通過增加驅(qū)動電路延長傳輸距離，但理論上裸線的可靠通信距離較短，易受電磁干擾影響。
l不適合高速大數(shù)據(jù)量傳輸：波特率上限及異步特性限制了其在高速、大數(shù)據(jù)量場景下的應(yīng)用。
結(jié)論
UART協(xié)議憑借其設(shè)計簡潔、成本效益高及廣泛的兼容性，在短距離、低速率的串行通信領(lǐng)域占據(jù)重要地位。盡管存在一些固有局限，但在許多嵌入式應(yīng)用、工業(yè)控制以及簡單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，UART仍然是一種不可或缺的通信手段。隨著技術(shù)的發(fā)展，盡管面臨新興的無線通信技術(shù)的挑戰(zhàn)，UART協(xié)議通過不斷優(yōu)化和改進，繼續(xù)在特定應(yīng)用場景中發(fā)揮著不可替代的作用。
了解更多物聯(lián)網(wǎng)知識和產(chǎn)品：進入塔石物聯(lián)網(wǎng)
塔石專注于物聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)服務(wù)。自2017年成立以來，已推出DTU、串口服務(wù)器、RTU、工業(yè)路由器／網(wǎng)關(guān)、傳感器、模塊模組6大系列兩百多款產(chǎn)品，經(jīng)過多年的技術(shù)沉淀及理論創(chuàng)新，除了成熟的工業(yè)設(shè)備，我們還為客戶提供專業(yè)的方案定制和技術(shù)支持。
