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UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种常见的串行通信协议，用于设备间的低速数据传输。它采用异步通信方式，无需时钟信号同步，仅需两根数据线（TX发送、RX接收）即可实现全双工通信。
1. UART的核心特点
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异步通信：无共享时钟信号，依赖预定义的波特率（Baud Rate）同步。
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点对点连接：通常一对一通信（如需多设备通信，需额外协议如RS-485）。
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双工模式：支持同时收发（全双工）。
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简单性：仅需TX、RX、GND三根线（无需复杂的控制信号）。
2. UART的数据帧格式
每帧数据包含以下部分（通常为8~9位）：
| 位字段 | 作用 |
|---|---|
| 起始位 | 1位低电平（逻辑0），标志数据帧的开始。 |
| 数据位 | 5~9位有效数据（通常为8位，即1字节）。 |
| 校验位 | 可选（奇校验、偶校验或无校验），用于错误检测。 |
| 停止位 | 1~2位高电平（逻辑1），标志数据帧结束。 |
示例：
一个典型的8N1格式（8数据位、无校验、1停止位）的UART帧：
[起始位0][D0][D1][D2][D3][D4][D5][D6][D7][停止位1]
3. UART的工作原理
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发送端（TX）：
将并行数据（如CPU的8位数据）转换为串行比特流，按帧格式发送。 -
接收端（RX）：
检测起始位，按波特率采样数据位，重组为并行数据。
关键点：
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收发双方需波特率一致（如9600、115200等），否则数据错乱。
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通信前需约定数据格式（如8N1）。
4. UART vs 其他串行协议
| 特性 | UART | SPI | I2C |
|---|---|---|---|
| 同步性 | 异步 | 同步（需时钟） | 同步（需时钟） |
| 线数 | 2（TX+RX）或3（+GND） | 4（SCLK+MISO+MOSI+CS） | 2（SDA+SCL） |
| 速度 | 低速（通常≤115200bps） | 高速（可达MHz） | 中速（通常≤400kHz） |
| 多设备支持 | 需额外硬件（如RS-485） | 通过片选（CS）支持 | 通过地址支持 |
5. UART的典型应用场景
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嵌入式设备调试：
通过USB转UART模块（如CH340、CP2102）连接MCU与电脑，输出调试日志。 -
传感器通信：
GPS模块、温湿度传感器（如DHT22）常用UART传输数据。 -
工业控制：
PLC、HMI设备通过UART（或RS-232/RS-485变种）交互。 -
无线模块：
WiFi/蓝牙模块（如ESP8266、HC-05）通过UART与主控通信。
6. 常见问题
Q1：UART需要共地吗？
是！即使只有TX和RX连接，双方GND必须相连，否则电平参考不一致会导致通信失败。
Q2：UART能直接接TTL和RS-232吗？
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TTL UART：直接连接（逻辑电平0/3.3V或0/5V）。
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RS-232：需电平转换芯片（如MAX232），因其使用±12V电压。
Q3：如何提高UART抗干扰能力？
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使用差分信号变种（如RS-485）。
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增加校验位或软件校验（如CRC）。
总结
UART因其简单、可靠的特点，成为嵌入式系统和工业通信的基础协议。理解其帧格式、波特率配置及电平标准（TTL/RS-232）是硬件开发的关键。对于高速或多设备场景，可结合SPI/I2C或升级为RS-485协议。