嵌入式基础知识学习：UART是什么？
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种广泛应用于嵌入式系统和通信设备的异步串行通信协议。它通过两根数据线（TX和RX）实现设备间的全双工数据传输，无需共享时钟信号，而是通过预定义的波特率、数据帧格式和校验机制实现同步。以下是其核心要点：
一、核心定义与特点
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基本特性
- 异步通信：无共享时钟线，依赖起始位和停止位标记数据边界，通过双方约定的波特率实现时序同步。
- 全双工传输：支持同时发送（TX）和接收（RX）数据，使用独立引脚实现双向通信。
- 简单硬件接口：仅需TX、RX和共地（GND）三根线，适合远距离、低成本场景。
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数据帧结构
每个数据包由以下部分组成：- 起始位：1位低电平（逻辑“0”），标志数据传输开始。
- 数据位：5~9位（通常为8位），从最低有效位（LSB）开始传输。
- 校验位（可选）：奇偶校验位，用于检测数据错误（如偶校验、奇校验）。
- 停止位：1~2位高电平（逻辑“1”），标志数据包结束。
二、关键参数与工作机制
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波特率（Baud Rate）
- 定义每秒传输的二进制位数（bps），如9600、115200等。收发双方需严格一致，偏差超过10%会导致错误。
- 示例：若波特率为9600bps，每位传输时间为1/9600 ≈ 104μs。
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电平标准
- TTL电平：逻辑“1”为+5V（或3.3V），逻辑“0”为0V，用于微控制器间通信。
- RS-232：逻辑“1”为-3~ -15V，逻辑“0”为+3~+15V，适合长距离传输，需电平转换芯片（如MAX232）连接PC。
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错误检测与处理
- 帧错误：未检测到预期停止位（如总线持续低电平）。
- 奇偶校验错误：数据位与校验位不匹配。
- 溢出错误：接收缓冲区未及时处理导致数据丢失。
三、应用场景与优缺点
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典型应用
- 嵌入式设备：连接传感器（如温湿度模块）、显示模块（LCD）、存储芯片等。
- 工业通信：通过RS-485协议实现多节点远距离通信（最长4000英尺）。
- 无线模块：UART转无线（如蓝牙、Wi-Fi）简化物联网设备开发。
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优缺点对比
优点 缺点 硬件简单，成本低 传输速率较低（通常<1Mbps） 支持全双工通信 无硬件流控，可靠性依赖软件设计 适合远距离传输（配合RS-485） 仅支持点对点或多节点需扩展协议
四、与其他通信协议的对比
| 协议 | 复杂度 | 速度 | 设备数 | 线数 | 同步性 | 主从模式 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| UART | 简单 | 慢 | 2个 | 2 | 异步 | 无主从 |
| I2C | 中等 | 中 | 127个 | 2 | 同步 | 多主多从 |
| SPI | 复杂 | 快 | 多个 | 4 | 同步 | 一主多从 |
选择建议：UART适合简单、低速的双向通信；I2C适合多设备管理；SPI适合高速数据传输。
五、总结
UART凭借其低成本和灵活性，成为嵌入式开发中最基础的通信接口之一。理解其数据帧结构、波特率配置及错误处理机制，是设计稳定通信系统的关键。对于复杂场景（如多节点网络），可结合RS-485或无线模块扩展其应用范围。