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1. 概述

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，用于设备之间的异步串行数据传输。它使用简单的两根线(TX和RX)进行全双工通信，不需要时钟信号，依靠预定义的波特率实现数据同步。

2. 主要特性

• 异步通信：不需要时钟信号

• 全双工传输：可同时发送和接收数据

• 可配置参数：

  • 波特率(300bps-4Mbps常见)

  • 数据位(5-9位)

  • 停止位(1,1.5,2位)

  • 校验位(无校验、奇校验、偶校验)

• 简单实现：仅需TX、RX和地线即可工作

3. 硬件接口

标准UART接口包含以下信号线：

信号名称	描述
TX	数据发送线
RX	数据接收线
GND	公共地线

注：有些实现可能包含硬件流控制信号(CTS/RTS)

4. 数据帧格式

一个标准的UART数据帧包含以下部分：

1. 起始位：1位逻辑低电平，标志数据帧开始

2. 数据位：5-9位，实际传输的数据(通常8位)

3. 校验位：可选，用于错误检测(奇校验或偶校验)

4. 停止位：1、1.5或2位逻辑高电平，标志数据帧结束

5. 波特率计算

波特率表示每秒传输的符号数(包括起始位、数据位、校验位和停止位)。

常用波特率：300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 57600, 115200等。

波特率计算公式：实际波特率 = 系统时钟频率 / (16 × UARTDIV)

其中UARTDIV是分频系数，通常存储在波特率寄存器中。

6. 典型工作流程

发送流程

1. 配置波特率、数据位、停止位和校验位

2. 等待发送缓冲区为空

3. 将数据写入发送数据寄存器

4. 硬件自动添加起始位、停止位和校验位(如启用)

5. 通过TX引脚串行发送数据

接收流程

1. 配置波特率、数据位、停止位和校验位(需与发送方匹配)

2. 检测RX引脚上的起始位(下降沿)

3. 按照波特率采样数据位

4. 检查校验位(如启用)

5. 检测停止位

6. 将接收到的数据存入接收缓冲区

7. 触发接收完成中断或设置状态标志

7. 错误检测

UART通常支持以下错误检测机制：

1. 奇偶校验错误：接收到的数据与校验位不匹配

2. 帧错误：未检测到有效的停止位

3. 溢出错误：新数据到达时前一个数据未被读取

4. 欠载错误：发送缓冲区为空时仍需发送数据

8. 软件实现示例

以下是基于C语言的UART初始化示例(伪代码)：

// UART初始化函数
void UART_Init(uint32_t baudrate) {// 1. 计算波特率分频值uint16_t uart_div = SYSTEM_CLOCK / (16 * baudrate);// 2. 禁用UARTUART->CR1 &= ~UART_ENABLE;// 3. 设置波特率UART->BRR = uart_div;// 4. 配置数据格式: 8位数据，无校验，1位停止位UART->CR1 &= ~(PARITY_ENABLE | DATA_BITS_9);// 5. 启用发送和接收UART->CR1 |= (TX_ENABLE | RX_ENABLE);// 6. 启用UARTUART->CR1 |= UART_ENABLE;
}// 发送单个字节
void UART_SendByte(uint8_t data) {while(!(UART->SR & TX_BUFFER_EMPTY)); // 等待发送缓冲区空UART->DR = data; // 写入数据寄存器
}// 接收单个字节
uint8_t UART_ReceiveByte(void) {while(!(UART->SR & RX_DATA_READY)); // 等待数据到达return UART->DR; // 读取数据寄存器
}

9. 应用场景

• 微控制器与PC通信

• 嵌入式设备间的简单数据交换

• 调试信息输出

• 与GPS模块、蓝牙模块等外设通信

• 工业控制设备的简单接口

10. 优缺点分析

优点：

• 实现简单，硬件要求低

• 全双工通信

• 不需要时钟信号

• 广泛支持，几乎所有微控制器都内置UART

缺点：

• 传输速率相对较低

• 传输距离有限(通常不超过15米)

• 没有硬件寻址机制，点对点通信

• 没有内置的错误纠正机制

11. 常见问题与解决方案

1. 通信失败：

   • 检查波特率、数据格式是否匹配

   • 确认TX/RX线是否交叉连接

   • 检查地线连接

2. 数据错误：

   • 降低波特率，特别是长距离通信时

   • 启用奇偶校验

   • 检查系统时钟精度

3. 通信不稳定：

   • 添加适当的终端电阻

   • 使用屏蔽电缆减少干扰

   • 考虑使用RS-232或RS-485转换芯片增强信号

12. 相关标准与扩展

• RS-232：UART的电气标准，定义电压电平(-3V至-15V表示1，+3V至+15V表示0)

• RS-422/RS-485：差分信号标准，支持更远距离和更高速度

• USB转UART：通过USB接口实现UART功能(如FT232、CP2102等芯片)

• 软件UART：通过GPIO模拟UART协议(bit-banging)

附录A：常用波特率与传输时间

在UART通信中，一个字节的数据(8位) 在传输时会被封装成10位(或更多)的帧，这是因为UART协议添加了额外的控制位

波特率	传输1字节(10位)时间
9600	1.04ms
19200	0.52ms
38400	0.26ms
57600	0.17ms
115200	0.087ms

附录B：UART与其他串行协议比较

特性	UART	SPI	I2C
同步方式	异步	同步	同步
信号线数量	2(TX,RX)	3+(SCK,MOSI,MISO)	2(SDA,SCL)
最大速率	4Mbps	50Mbps+	3.4Mbps
寻址能力	无	无	有
全双工	是	是	半双工

13、STM32的串口资源介绍

串口的硬件连接非常简单，简单的双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX），TX和RX需要交叉连接，当只需要单向的数据传输时，可以只接一根通常线，当两个设备的电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。

什么是电平标准？

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：

TTL电平：+3.3V或者+5V表示1，0V表示0

RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0

RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）