【Bluetooth】【Transport层篇】第三章 基础的串口（UART）通信

一、串口简介

       串口（UART）是嵌入式系统与外设通信中最常用的接口之一，其 “通用、异步、串行” 的特性使其在低速数据传输场景中占据重要地位。本章将从基本概念、工作原理到实际特性，系统解析 UART 通信的核心知识。

1.1 UART 的定义与核心作用

       UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收 / 发送装置）是一种串行通信协议，通过两根数据线（发送线 TX、接收线 RX）实现设备间的双向数据传输，无需专用时钟线（“异步” 的核心特征）。

       其核心作用是：将设备内部的并行数据（如 CPU 处理的 8 位字节）转换为串行数据（逐位传输）发送出去，同时将接收的串行数据转换为并行数据供设备处理，是 “并行数据” 与 “串行传输” 之间的桥梁。

1.2 串行通信与并行通信的本质区别

       通信按数据传输方式可分为串行通信和并行通信，UART 属于典型的串行通信，二者的核心差异如下：

维度	串行通信（以 UART 为例）	并行通信（如 CPU 与内存）
数据线数量	仅需 1-2 根（单工 1 根，全双工 2 根）	需多根（如 8 位数据需 8 根数据线，加控制线共十余根）
传输方式	数据位逐位依次传输（如 1 字节的 8 位分 8 次发送）	多个数据位同时传输（如 1 字节的 8 位同时发送）
抗干扰能力	强（少线传输，受干扰概率低）	弱（多线间存在串扰，高速时更明显）
传输距离	较长（通常数米至数十米，配合优化可达百米）	短（通常厘米级，高速时仅数厘米）
硬件复杂度	低（布线简单，适合小型设备）	高（布线复杂，成本高）

串行

并行

 

       举例：用 UART 传输字符 “A”（二进制01000001）时，需通过 TX 线分 8 次逐位发送；而并行通信则通过 8 根线同时发送这 8 位，速度更快但硬件成本更高。

二、 UART 的硬件组成与工作流程

       UART 的硬件核心由三部分组成，协同完成数据的发送与接收：

• 发送器（Transmitter）：将设备内部的并行数据（如 8 位字节）转换为串行数据，按约定格式添加起始位、校验位、停止位，通过 TX 线发送。
• 接收器（Receiver）：通过 RX 线接收串行数据，去除起始位、停止位（校验位可选），转换为并行数据供设备处理。
• 波特率发生器（Baud Rate Generator）：生成稳定的时钟信号，控制数据位的传输速率（波特率），确保收发双方节奏一致。

工作流程示例（发送 “A”，8 位数据，无校验，1 位停止位）：

1. 发送器接收并行数据01000001（字符 “A” 的 ASCII 码）；
2. 按 UART 格式封装：添加起始位（1 位低电平0）→ 数据位（01000001）→ 停止位（1 位高电平1），形成完整帧0 01000001 1；
3. 发送器以约定波特率（如 115200 bps）将帧数据逐位通过 TX 线发送；
4. 接收器通过 RX 线检测到起始位（低电平跳变），触发同步，按相同波特率逐位接收数据；
5. 接收器去除起始位和停止位，将数据位01000001转换为并行数据，传递给设备内部处理。

三、UART 数据帧格式：异步通信的 “规则”

       UART 通过固定帧结构实现异步同步（无需时钟线），确保接收方正确解析数据。标准帧格式由 5 部分组成（按传输顺序）：

1. 起始位（Start Bit）

   • 1 位低电平（逻辑 0），标志数据传输开始。
   • 作用：空闲时总线为高电平（逻辑 1），起始位的低电平跳变可触发接收方 “开始采样”，实现收发同步。

2. 数据位（Data Bits）

   • 5-9 位（常用 8 位），代表实际传输的数据（如 ASCII 字符、传感器数值）。
   • 传输顺序：从最低位（LSB）到最高位（MSB），例如发送01000001时，先传1（最低位），最后传0（最高位）。

3. 校验位（Parity Bit，可选）

   1 位，用于简单错误检测，根据数据位中 “1” 的数量计算：
   • 无校验（None）：不添加校验位（常用，需上层协议保障可靠性）。
   • 偶校验（Even）：数据位 + 校验位中 “1” 的总数为偶数；
   • 奇校验（Odd）：数据位 + 校验位中 “1” 的总数为奇数；

4. 停止位（Stop Bit）

   • 1 位、1.5 位或 2 位高电平（逻辑 1），标志一帧数据结束。
   • 作用：为接收方提供缓冲时间，确保下一帧起始位的低电平跳变可被准确识别。

5. 空闲位（Idle）

   • 总线空闲时为高电平（逻辑 1），无数据传输时持续保持，直到新帧的起始位到来。

示例：8 位数据、奇校验、1 位停止位的帧结构
发送数据01000001（含 3 个 “1”）→ 奇校验位为0（3+0=3，奇数）→ 完整帧：0（起始） 01000001（数据） 0（校验） 1（停止）。

四、波特率：UART 的 “传输速度”

       波特率（Baud Rate）是 UART 的核心参数，定义为每秒传输的位数（bps，bit per second），直接决定通信速度。

• 常见波特率：9600、19200、38400、115200、921600 bps 等（蓝牙模块常用 115200 或更高）。

• 实际有效速率：需扣除起始位、校验位、停止位。例如：
  波特率 115200 bps，8 位数据、无校验、1 位停止位 → 每帧含 10 位（1+8+1）→ 有效字节速率 = 115200÷10=11520 字节 / 秒。

• 同步原理：收发双方必须使用相同波特率，接收方通过起始位触发后，按波特率对应的时间间隔（如 115200 bps 对应每 bit 约 8.68μs）采样数据，确保采样点落在数据位的中间（最稳定区域）。

五、通信方向：单工、半双工与全双工

       UART 支持全双工通信，其通信方向特性如下：

• 单工（Simplex）：数据仅能单向传输（如红外遥控器→电视），仅需 1 根数据线（TX 或 RX）。
• 半双工（Half-Duplex）：数据可双向传输，但同一时刻只能单向进行（如对讲机），需 1 根数据线（分时收发）。
• 全双工（Full-Duplex）：数据可同时双向传输（如手机通话），UART 通过 TX（发送）和 RX（接收）两根独立数据线实现，无需切换方向。

六、流控：避免数据丢失的 “交通规则”

       当发送方速率快于接收方处理速度时，可能导致接收方缓冲区溢出、数据丢失。UART 通过流控机制解决这一问题，分为两类：

1. 硬件流控（Hardware Flow Control）

   • 需额外两根线：RTS（Request To Send，发送请求）和 CTS（Clear To Send，发送允许）。
   • 工作逻辑：
     • 接收方准备好接收数据时，拉低 RTS（通知发送方 “可发送”）；
     • 发送方检测到对方 CTS（即接收方 RTS）为低电平时，开始发送数据；
     • 接收方缓冲区满时，拉高 RTS（禁止发送），发送方暂停传输。

2. 软件流控（Software Flow Control）

   • 无需额外硬件，通过特定字符（XON=0x11，XOFF=0x13）控制：
     • 接收方缓冲区快满时，发送 XOFF（暂停发送）；
     • 接收方处理完数据后，发送 XON（恢复发送）。

       说明：硬件流控响应速度快、可靠性高，适合高速通信（如蓝牙 HCI 交互）；软件流控节省硬件资源，适合低速场景（如调试打印）。

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注：基础串口硬件流控模式下 四线制（TX, RX, RTS, CTS） 的详细介绍表格：

信号线	方向 (DTE视角)	全称	功能描述
TX	输出 →	Transmit Data	DTE 发送数据到 DCE（如：计算机 → 调制解调器）
RX	输入 ←	Receive Data	DTE 接收来自 DCE 的数据（如：计算机 ← 调制解调器）
RTS	输出 →	Request To Send	DTE 通知 DCE：“我已准备好接收数据，你可以发送”（请求对方发送）
CTS	输入 ←	Clear To Send	DCE 通知 DTE：“我已准备好接收数据，你可以发送”（允许本端发送）

关键说明：

1. 硬件流控作用

   • 通过 RTS/CTS 信号自动协调数据传输，避免因缓冲区满导致的数据丢失（解决“过载”问题）。

   • 当接收方无法处理数据时，通过拉低 CTS 信号暂停发送方传输。

2. 信号方向

   • DTE (数据终端设备)：如计算机、单片机

   • DCE (数据通信设备)：如调制解调器、串口模块

   • RTS 是 DTE 的输出 → DCE 的输入

   • CTS 是 DCE 的输出 → DTE 的输入

3. 流控交互流程

   步骤	DTE 动作	DCE 动作
   1	置高 RTS："我可以接收"	检测到 RTS 高电平
   2	等待 CTS 高电平	若就绪，置高 CTS："你可以发送"
   3	开始发送 TX 数据	接收数据
   4	若 DCE 缓冲区满	拉低 CTS："暂停发送！"
   5	立即停止发送	缓冲区空后重新置高 CTS

4. 物理连接

   • 直连方案（DTE 与 DCE 连接）：

     text

     DTE_TX  → DCE_RX  
     DTE_RX  ← DCE_TX  
     DTE_RTS → DCE_CTS  
     DTE_CTS ← DCE_RTS  

   • 交叉方案（两台 DTE 直连需交叉 RTS/CTS）：

     text

     DTE1_RTS → DTE2_CTS  
     DTE1_CTS ← DTE2_RTS  

应用场景

• 高速串口通信（≥115200 bps）

• 大数据量传输（如文件传输、视频流控制）

• 嵌入式设备与模组通信（如4G模块、GPS模块）

注意：若无需流控，仅 TX/RX 2根线即可工作；启用硬件流控需 4根线（TX+RX+RTS+CTS）。RTS/CTS 是硬件流控的核心，可显著提升通信可靠性。

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 （注：因为蓝牙产品会用到可靠的硬件流控，所以这里补充说明了一下。）

七、UART 的优缺点与典型应用

优点：

• 硬件简单：仅需 2-4 根线（TX、RX、RTS、CTS），布线成本低；
• 灵活性高：支持不同波特率、数据位配置，适配多种设备；
• 全双工：可同时收发，适合交互场景。

缺点：

• 速率有限：最高通常不超过 10Mbps（远低于 USB、SPI）；
• 抗干扰弱：TTL 电平信号易受电磁干扰，传输距离短（通常数米）；
• 无时钟线：波特率误差超过 3% 可能导致数据错误（需严格匹配）。

典型应用：

• 嵌入式调试（通过 UART 打印日志）；
• 传感器数据传输（如温湿度传感器→MCU）；
• 蓝牙模块交互（如 MCU 通过 UART 控制蓝牙模块发送 AT 指令）；
• 低速外设通信（如 GPS 模块、RFID 读卡器）。

八、基础串口小结

       UART 作为一种通用异步串行通信协议，通过简洁的硬件设计和灵活的配置，成为嵌入式系统中低速数据传输的首选方案。其核心是通过固定帧结构（起始位、数据位、停止位）实现异步同步，通过波特率控制传输速度，通过流控机制保障可靠性。理解 UART 的工作原理，是掌握蓝牙模块交互、传感器通信等场景的基础。

九、补充说明

9.1 RS485

请参考：【STM32】基于标准库和HAL库分别实现RS485通信方式-CSDN博客

9.2 RS232

9.2.1 RS232：UART 物理层的标准化升级

       RS232（全称 EIA-RS-232）是串行通信领域首个标准化接口规范，由美国电子工业协会（EIA）于 1970 年联合设备厂商制定，旨在解决基础 UART 在实际应用中的兼容性问题。它并非替代 UART 的协议，而是对 UART物理层（接口形式、电平标准、抗干扰设计）的规范化定义，让不同厂商的设备能通过统一标准实现串行通信。

9.2.2 RS232 的核心价值：解决 UART 的三大痛点

       基础 UART 虽能实现串行通信，但存在接口混乱、电平不统一、抗干扰弱等问题，RS232 针对性地给出了解决方案：

（1）接口标准化：统一硬件连接形式

       UART 仅定义了信号名称（如 TX、RX），但未规定物理接口（如连接器类型、引脚排列），导致不同设备间难以直接对接。
       RS232 通过DB9 连接器（9 针插头 / 插座）统一了接口标准，所有遵循 RS232 的设备均采用相同的引脚定义和机械尺寸，彻底解决了 “线不对口” 的兼容问题。 

（2）电平规范化：提升抗干扰能力

       UART 采用 TTL 电平（通常 3.3V 或 5V，逻辑 1 为高电平、逻辑 0 为低电平），但未统一电平范围，且低电压信号易受电磁干扰（如工业环境中的电机噪声）。
RS232 重新定义了电平标准：

• 逻辑 “1”（MARK）：-5V~-15V（负电压）；
• 逻辑 “0”（SPACE）：+5V~+15V（正电压）；
• 噪声容限：±2V（即接收器会将 + 3V 以下视为逻辑 1，-3V 以上视为逻辑 0）。

通过正负电压差（最小 10V）传输信号，RS232 能有效抵抗环境噪声，大幅提升通信稳定性。

（3）延长传输距离：突破 UART 的短距限制

       UART 的 TTL 电平信号传输距离通常仅数米（受噪声干扰限制），而 RS232 通过高电压信号和抗干扰设计，在无中继的情况下可稳定传输30 米；若配合光电隔离（20mA 电流环）或 Modem（调制解调器），传输距离可延伸至千米级甚至更远（如通过电话线、光纤传输）。

9.2.3 RS232 的核心特性：协议层兼容，物理层优化

• 与 UART 的关系：RS232 不改变 UART 的协议逻辑（如数据帧格式、波特率、软件编程接口），仅优化物理层。因此，RS232 通信的软件实现（如串口初始化、数据收发代码）与 UART 完全一致，开发者无需修改程序即可适配。
• 通信模式：仅支持一对一通信（点到点），无法像 RS485 那样实现多设备组网。

9.2.4 DB9 接口：RS232 的 “标准化连接器”

       RS232 最常用的接口是DB9（9 针），其引脚定义严格规范了信号功能和传输方向，以下是各引脚的核心说明（蓝牙场景重点关注标红部分）：

引脚编号	定义（全称）	传输方向	功能说明
1	DCD（Data Carrier Detect）	←	数据载波检测：DCE（如 Modem）通知 DTE（如计算机）“已检测到载波信号”
2	RXD（Receive Data）	←	接收数据：DTE 从 DCE 接收串行数据（对应 UART 的 RX 线）
3	TXD（Transmit Data）	→	发送数据：DTE 向 DCE 发送串行数据（对应 UART 的 TX 线）
4	DTR（Data Terminal Ready）	→	终端就绪：DTE 通知 DCE “自身已准备好接收数据”
5	GND（Ground）	—	信号地：为所有信号提供参考电位（必须连接，否则电平无法正确识别）
6	DSR（Data Set Ready）	←	设备就绪：DCE 通知 DTE “自身已准备好通信”（如 Modem 已拨号成功）
7	RTS（Request To Send）	→	请求发送：DTE 向 DCE 请求发送数据（硬件流控信号，对应 UART 的 RTS）
8	CTS（Clear To Send）	←	允许发送：DCE 通知 DTE “可开始发送数据”（硬件流控信号，对应 UART 的 CTS）
9	RI（Ring Indicator）	←	振铃指示：DCE 通知 DTE “检测到外部呼叫”（如 Modem 接到电话振铃）

蓝牙场景的简化应用：
       蓝牙模块与上位机（如 PC、MCU）通过 RS232 通信时，无需使用全部引脚，核心只需连接 4 根线：

• TXD（3 脚）：蓝牙模块→上位机（发送数据）；
• RXD（2 脚）：上位机→蓝牙模块（接收数据）；
• RTS（7 脚）+ CTS（8 脚）：硬件流控（可选，高速通信时必接）；
• GND（5 脚）：信号地（必须连接，否则电平紊乱）。

9.2.5 硬件设计关键：TTL 与 RS232 的电平转换

       UART 设备（如蓝牙模块、MCU）通常输出 TTL 电平（3.3V/5V），而 RS232 设备（如 PC 的 DB9 串口）使用 ±15V 电平，二者无法直接连接，必须通过电平转换芯片实现信号转换。

• 典型转换芯片：MAX232、SP3232 等（支持 3.3V 或 5V 供电）；
• 转换原理：将 TTL 的高电平（3.3V/5V）转为 RS232 的 + 5V~+15V（逻辑 0），将 TTL 的低电平（0V）转为 RS232 的 - 5V~-15V（逻辑 1）；
• 电路架构：UART 设备 → 转换芯片 → DB9 接口 → 另一端 RS232 设备（如 PC）。

9.2.6 RS232 的应用与局限性

（1）典型应用场景

• 传统计算机与外设通信（如老式 PC 的串口与蓝牙模块调试）；
• 工业设备本地调试（如 PLC 通过 RS232 连接蓝牙网关）；
• 低速数据传输（如 POS 机、考勤机与主机通信）。

（2）局限性

• 仅支持一对一通信，无法组网；
• 速率较低（通常≤115200 bps，高速时抗干扰能力下降）；
• 电缆成本高（需屏蔽线减少干扰）；
• 逐渐被 USB、以太网等替代，但在工业和传统设备中仍广泛存在。

9.2.7 RS232 小结

       RS232 是 UART 物理层的标准化升级，通过统一接口（DB9）、规范电平（±15V）、增强抗干扰能力，解决了早期串行通信的兼容性和可靠性问题。它不改变 UART 的协议逻辑，却大幅扩展了串行通信的应用场景（如中短距离设备互联）。在蓝牙领域，RS232 常用于模块与上位机的调试或近距离数据传输，是理解更复杂串行标准（如 RS485）的基础。