UART（通用異步收發器），這是用于全雙工串行通信的最常見協議。它是設計用于執行異步通信的單個LSI（大規模集成）芯片。該設備將數據從一個系統發送到另一系統。在本文中，英銳恩單片機開發工程師將介紹UART通信的基礎知識以及UART的工作原理。

什么是UART？

“ UART”代表通用異步收發器。它是微控制器內部的硬件外圍設備。UART的功能是將傳入和傳出的數據轉換為串行二進制流。使用串行到并行轉換將從外圍設備接收的8位串行數據轉換為并行形式，使用串行到并行轉換將從CPU接收的并行數據轉換為并行形式。該數據以調制形式存在，并以定義的波特率傳輸。

為什么要使用UART？

諸如SPI（串行外圍接口）和USB（通用串行總線）之類的協議用于快速通信。當不需要高速數據傳輸時，使用UART。它是帶有單個發送器/接收器的廉價通信設備。它需要一根導線來傳輸數據，而需要另一根導線來接收數據。

可以使用RS232-TTL轉換器或USB-TTL轉換器將其與PC（個人計算機）接口。RS232和UART之間的共同點是它們都不需要時鐘來發送和接收數據。Uart幀由1個起始位，1個或2個停止位以及一個用于串行數據傳輸的奇偶校驗位組成。

UART框圖

UART由以下核心組件組成。它們是發送器和接收器。發送器由發送保持寄存器，發送移位寄存器和控制邏輯組成。類似地，接收器由接收保持寄存器，接收器移位寄存器和控制邏輯組成。通常，發送器和接收器都配有波特率發生器。

波特率發生器生成發送器和接收器必須發送/接收數據的速度。發送保持寄存器包含要發送的數據字節。發送移位寄存器和接收移位寄存器將這些位向左或向右移位，直到發送/接收一個字節的數據為止。

除了這些，還提供了讀或寫控制邏輯以告知何時進行讀/寫。波特率發生器產生的速度范圍從110 bps（每秒比特）到230400。大多數情況下，微控制器提供更高的波特率，例如115200和57600，以實現更快的數據傳輸。GPS和GSM等設備在4800和9600中使用較低的波特率。

一、UART如何工作？

要了解UART的工作原理，您需要了解串行通信的基本功能。簡而言之，發送器和接收器使用開始位，停止位和定時參數相互同步。原始數據為并行形式。例如，我們有4位數據，要將其轉換為串行形式，我們需要并行到串行轉換器。通常，D觸發器或鎖存器用于設計轉換器。

（1）D–觸發器的工作

D觸發器也稱為數據觸發器，當且僅當時鐘將時鐘從高態轉換為低電平或從低態轉換為高態時，才從輸入側向輸出側移位一位。同樣，如果要傳輸四位數據，則??需要4個觸發器。

注意，在這里：

“D”代表輸入數據。
“CLK”表示時鐘脈沖。
“Q”表示輸出數據?，F在，讓我們設計一個并行到串行和串行到并行轉換器。

（2）并行到串行轉換

步驟1：

取4個觸發器。觸發器的數量等于要發送的位數。同樣，將多路復用器放在每個觸發器的前面，但不包括第一個。放置一個多路復用器以合并數據并將其轉換為串行位。它有兩個輸入，一個并行位數據，另一個來自前一個觸發器。

第2步：

現在，一次在D個觸發器中加載數據。它將拉出并行數據，并移動最后一個觸發器的最后一位（四個），然后是第三位，第二位，最后是第一位?，F在，為了將并行數據轉換為串行形式，使用了串行到并行轉換器。

（3）串行到并行轉換

步驟1：

取4個觸發器。觸發器的數量與要發送的位數相同。

步驟2：

最初，禁用并行總線。直到所有位都加載后才啟用。將數據存儲在第一個觸發器的輸入處?，F在將時鐘設為高電平，這會將最低有效位移至第二個觸發器的輸入和第一個觸發器的輸出。同樣，通過使時鐘脈沖為高，將所有位一一移位。轉換器處于保持狀態，直到所有位都傳輸到輸出為止。

步驟3：

現在，每個觸發器都包含一位串行數據。同時，所有位都傳送到觸發器輸出，使能總線。這將使轉換器一次發送所有位。

（4）協議格式

UART從起始位“0”開始通信。起始位啟動串行數據的傳輸，終止位結束數據事務。

它還具有奇偶校驗位（偶數或奇數）。偶校驗位由“0”（偶數1）表示，奇校驗位由“1”（偶數1）表示。

（5）傳輸

使用單條傳輸線（TxD）完成數據傳輸。在這里，“0”被認為是空格，而“1”被認為是標記狀態。

發送器一次發送一位。發送一位后，發送下一位。這樣，所有數據位都以預定義的波特率發送到接收器。傳輸每個位會有一定的延遲。例如，要以9600波特率發送一個字節的數據，則每個比特以108微秒的延遲發送。數據添加有奇偶校驗位。因此，需要10位數據才能發送7位數據。注意：在發送時，始終首先發送LSB（最低有效位）。

（6）接收幀

在接收過程中，RxD線（接收器）用于接收數據。

（7）UART接口示例

本示例演示了ESP8266 UART與MAX232的接口。但是，在介紹接口細節之前，讓我分享一下Max232驅動程序的引腳細節。

MAX232 IC由5V電源供電，該電源包括一個電容電壓發生器，用于驅動232電平電壓。它帶有雙發送器，也稱為驅動器（TIN，TOUT）和接收器（RIN和ROUT）。

在這里，我使用了內置UART的ESP8266（32位微控制器）。ESP8266可以使用AT指令通過RS232到TTL電平轉換器（MAX232）進行通信。下圖顯示了ESP8266與PC（個人計算機）的連接。

通過通過PC請求有效的AT命令，WiFi芯片將以確認響應。我不想深入了解ESP8266，在以后的教程中將對此進行解釋。

以下是與PC進行串行通信的步驟。

1.將ESP8266的發射器（TX）連接到RS232的接收器（TX）到TTL電平轉換器（MAX232）和PC的RX。
2.將ESP8266的接收器（RX）連接到PC的TX和TTL轉換器的RX。

（8）UART與USART

USART是UART的基本形式。從技術上講，它們是不同的。但是，兩者的定義相同。這些是微控制器外設，可將并行數據轉換為串行位，反之亦然。

（9）UART的優點與缺點

1.優點

UART的優點是，它支持使用兩條線的全雙工通信。而且，它不需要外部時鐘就可以進行數據通信。它支持使用奇偶校驗位進行錯誤檢查，并且可以輕松更改數據長度。

2.缺點

UART的主要缺點是，它不支持多從機或多主機配置。并且，數據分組的大小被限制為9位。UART不適合在高能耗下進行繁重的串行通信。

（10）應用領域

1.串行調試端口使用UART驅動程序來打印來自外部世界的數據。
2.我們可以使用它來向嵌入式設備發送命令和從嵌入式設備接收命令。
3.在通訊GPS，GSM / GPRS調制解調器，Wi-Fi芯片等與UART操作。
4.在大型機訪問中用于連接不同的計算機。

以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的UART通信協議與單片機UART的工作原理。