UART

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通常称作UART) 是一种串行异步收发协议,应用十分广泛。UART工作原理是将数据的二进制位一位一位的进行传输。在UART通讯协议中信号线上的状态位高电平代表’1’低电平代表’0’。当然两个设备使用UART串口通讯时,必须先约定好传输速率和一些数据位。

硬件连接

硬件连接比较简单,仅需要3条线,注意连接时两个设备UART电平,如电平范围不一致请做电平转换后再连接,如下图所示:

  • TX:发送数据端,要接对面设备的RX
  • RX:接收数据端,要接对面设备的TX
  • GND:保证两设备共地,有统一的参考平面


软件通信协议

UART作为异步串口通信协议的一种,工作原理是将数据的字节一位接一位地传输。协议如下:


空闲位:
UART协议规定,当总线处于空闲状态时信号线的状态为‘1’即高电平

起始位:
开始进行数据传输时发送方要先发出一个低电平’0’来表示传输字符的开始。因为空闲位一直是高电平所以开始第一次通讯时先发送一个明显区别于空闲状态的信号即为低电平。

数据位:
起始位之后就是要传输的数据,数据可以是5,6,7,8,9位,构成一个字符,一般都是8位。先发送最低位最后发送最高位。

奇偶校验位:
数据位传送完成后,要进行奇偶校验,校验位其实是调整个数,串口校验分几种方式:
1.无校验(no parity)
2.奇校验(odd parity):如果数据位中’1’的数目是偶数,则校验位为’1’,如果’1’的数目是奇数,校验位为’0’。
3.偶校验(even parity):如果数据为中’1’的数目是偶数,则校验位为’0’,如果为奇数,校验位为’1’。
4.mark parity:校验位始终为1
5.space parity:校验位始终为0

停止位:
数据结束标志,可以是1位,1.5位,2位的高电平。

波特率:
数据传输速率使用波特率来表示,单位bps(bits per second),常见的波特率9600bps,115200bps等等,其他标准的波特率是1200,2400,4800,19200,38400,57600。举个例子,如果串口波特率设置为9600bps,那么传输一个比特需要的时间是1/9600≈104.2us。


以9600 8N1(9600波特率,8个数据位,没有校验位,1位停止位)为例,这是目前最常用的串口配置,现在我们传输’O’'K’两个ASCII值,'O’的ASCII为79,对应的二进制数据为01001111 ,'K’对应的二进制数据为01001011 ,传输的格式数据如下图所示:


串口波特率为9600,1bit传输时间大约为104us,传送一个数据实际是10个比特(开始位,8个数据位,停止位),一个bytes传输速率实际为9600*8/10=7680bps。

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围观 9

通讯问题,和交通问题一样,也有高速、低速、拥堵、中断等等各种情况。如果把串口通讯比做交通,UART比作车站,那么一帧的数据就好比汽车。汽车跑在路上,要遵守交通规则。如果是市内,一般限速30、40,而高速公路则可以到120。而汽车走什么路,限速多少,就要看协议怎么规定了。常见的串口协议有RS-232、RS-422、RS-485等,他们之间有何细微差别?下面我们就一起来探讨一下。

一、UART是什么

UART是通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART,是一种异步收发传输器,是设备间进行异步通信的关键模块。UART负责处理数据总线和串行口之间的串/并、并/串转换,并规定了帧格式;通信双方只要采用相同的帧格式和波特率,就能在未共享时钟信号的情况下,仅用两根信号线(Rx 和Tx)就可以完成通信过程,因此也称为异步串行通信。

若加入一个合适的电平转换器,如SP3232E、SP3485,UART 还能用于RS-232、RS-485 通信,或与计算机的端口连接。UART 应用非常广泛,手机、工业控制、PC 等应用中都要用到UART。

UART使用的是 异步,串行通信。

串行通信是指利用一条传输线将资料一位位地顺序传送。特点是通信线路简单,利用简单的线缆就可实现通信,降低成本,适用于远距离通信,但传输速度慢的应用场合。

异步通信以一个字符为传输单位,通信中两个字符间的时间间隔多少是不固定的,然而在同一个字符中的两个相邻位间的时间间隔是固定的。

数据传送速率用波特率来表示,即每秒钟传送的二进制位数。例如数据传送速率为120字符/秒,而每一个字符为10位(1个起始位,7个数据位,1个校验位,1个结束位),则其传送的波特率为10×120=1200字符/秒=1200波特。

数据通信格式如下图:

其中各位的意义如下:
起始位:先发出一个逻辑”0”信号,表示传输字符的开始。
数据位:可以是5~8位逻辑”0”或”1”。如ASCII码(7位),扩展BCD码(8位)。小端传输
校验位:数据位加上这一位后,使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)
停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。
空闲位:处于逻辑“1”状态,表示当前线路上没有资料传送。

注:异步通信是按字符传输的,接收设备在收到起始信号之后只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步就能正确接收。下一个字符起始位的到来又使同步重新校准(依靠检测起始位来实现发送与接收方的时钟自同步的)

二、RS-232标准

RS-232是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号。RS-232是对电气特性以及物理特性的规定,只作用于数据的传输通路上,它并不内含对数据的处理方式。需要说明一下,很多人经常把RS-232、RS-422、RS-485 误称为通讯协议,这是很不应该的,其实它们仅是关于UART通讯的一个机械和电气接口标准(顶多是网络协议中的物理层面)。

该标准规定采用一个25 个脚的DB-25 连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。后来IBM的PC 机将RS-232 简化成了DB-9 连接器,从而成为今天的事实标准。而工业控制的RS-232 口一般只使用RXD(2)、TXD(3)、GND(5) 三条线。

早期由于PC都带有RS-232接口,所以我们需要使用UART时,都选择RS-232。但是现在个人电脑,不光是笔记本,包括台式机都不再带有RS-232的接口,大家看到电脑主板上面没有DB9的接口。所以现在开发板都选择TTL的UART,或者直接UART转USB做在开发板上。

嵌入式里面说的串口,一般是指UART口, 但是我们经常搞不清楚它和COM口的区别, 以及RS232, TTL等关系, 实际上UART,COM指的物理接口形式(硬件), 而TTL、RS-232是指的电平标准(电信号).

UART有4个pin(VCC, GND, RX, TX), 用的TTL电平, 低电平为0(0V),高电平为1(3.3V或以上)。

三、RS-485/ RS-422标准

RS-232接口可以实现点对点的通信方式,但这种方式不能实现联网功能。于是,为了解决这个问题,一个新的标准RS-485产生了。RS-485的数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,它使用一对双绞线,将其中一线定义为A,另一线定义为B。

通常情况下,发送驱动器A、B之间的正电平在+2~+6V,是一个逻辑状态,负电平在-2~6V,是另一个逻辑状态。另有一个信号地C,在RS-485中还有一“使能”端,而在RS-422中这是可用可不用的。

RS-422 的电气性能与RS-485完全一样。主要的区别在于:RS-422 有4 根信号线:两根发送、两根接收。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发(全双工),也正因为全双工要求收发要有单独的信道,所以RS-422适用于两个站之间通信,星型网、环网,不可用于总线网;RS-485 只有2 根信号线,所以只能工作在半双工模式,常用于总线网。

1. RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL 电路连接。

2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。

3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。

4. RS-485最大的通信距离约为1219M,最大传输速率为10Mb/S,传输速率与传输距离成反比,在100Kb/S的传输速率下,才可以达到最大的通信距离,如果需传输更长的距离,需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到400个节点。

1 RS-423 非平衡串行通信接口

结构、信号电平、传输距离、传输速率、接口芯片

2 RS-422 平衡型串行通信接口

结构、信号电平、接口芯片,MC3486、MC3487、SN75154,SN75155

传输速率、传输距离

3 RS-485 串行通信总线

结构、信号电平、接口芯片 MAX485

传输速率、传输距离,应用实例

由于RS-232 接口标准出现较早,难免有不足之处,主要有以下四点:

(1) 接口的信号电平值较高,易损坏接口电路芯片,又因为232电平与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接;

(2) 传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。现在由于采用了新的UART芯片,波特率达到115.2Kbps(1.832M/16);

(3) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱;

(4) 传输距离有限,最大传输距离标准值为50 米,实际上也只能用在15 米左右;

(5) RS-232 只容许一对一的通信,没有考虑构成串行总线。(这点很重要,在很多控制场景,是一控多,如果主设备都需要跟从设备点对点通信,那现场布线成蜘蛛网了)

非平衡型串行通信接口RS-423,RS-449


平衡型串行通信接口RS-422

RS-422(EIA RS-422-A Standard)是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号,RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号,对比RS-232,它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。




四、RS-232与RS-485对比

1、抗干扰性:RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗噪声干扰性好。RS232 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰。

2、传输距离:RS485 接口的最大传输距离标准值为 1200 米(9600bps 时),实际上可达 3000 米。RS232 传输距离有限,最大传输距离标准值为 50 米,实际上也只能用在 15 米左右。

3、通信能力:RS-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器,用户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。RS-232只允许一对一通信。

4、传输速率:RS-232传输速率较低,在异步传输时,波特率为 20Kbps。RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps 。

5、信号线:RS485 接口组成的半双工网络,一般只需二根信号线。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线 。

6、电气电平值:RS-485的逻辑"1"以两线间的电压差为+(2-6) V 表示;逻辑"0"以两线间的电压差为-(2-6)V 表 示 。在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻辑"1",-5- -15V;逻辑"0 " +5- +15V 。

五、RS-422与RS-485对比

RS-485的电气性能与RS-422完全一样。主要的区别在于:

1、RS-422 有4 根信号线:两根发送(Y、Z)、两根接收(A、B)。由于RS-422 的收与发是分开的所以可以同时收和发(全双工)。

2、RS-485 只有两根数据线:发送和接收都是A 和B。由于RS-485 的收与发是共用两根线,所以不能同时收和发(半双工)。

RS-485标准采用平衡式发送,差分式接收的数据收发器来驱动总线,具体规格要求:

接收器的输入电阻RIN≥12kΩ

驱动器能输出±7V的共模电压

输入端的电容≤50pF

在节点数为32个,配置了120Ω的终端电阻的情况下,驱动器至少还能输出电压1.5V(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关)

接收器的输入灵敏度为200mV(即(V+)-(V-)≥0.2V,表示信号“0”;(V+)-(V-)≤-0.2V,表示信号“1”)

因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线成本低的特性,使得EIA RS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。

(1) RS-485 的电气特性:发送端:逻辑“0”以两线间的电压差+(2 ~6)V 表示;逻辑“1”以两线间的电压差-(2 ~6)V 表示。接收端:A 比B 高200mV 以上即认为是逻辑“0”,A 比B 低200mV 以上即认为是逻辑“1”;

(2) RS-485 的数据最高传输速率为10Mbps。但是由于RS-485 常常要与PC 机的RS-232 口通信,所以实际上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率会使RS-485 传输距离减小,所以往往为9600bps 左右或以下;

(3) RS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗噪声干扰性好;

(4) RS-485 接口的最大传输距离标准为1200 米(9600bps 时),实际上可达3000米,RS-485 接口在总线上是容许连接多达128 个收发器、即RS-485 具有多机通信功能,这样用户可以利用单一的RS-485 接口方便的建立起网络。因为RS-485 接口组成的半双工网络,一般只需二根信号线,所以RS-485 接口均采用双绞线传输。RS-485 的国际标准并没有规定RS-485 的接口连接器标准、所以采用接线端子或者DB-9、DB-25 等连接器都可以。

在使用RS-485 接口时,对于特定的传输线径,从发生器到负载其数据信号传输所容许的最大电缆长度是数据信号速率的函数,这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG 铜芯双绞电话电缆(线径为0.51mm),线间旁路电容为52.5PF/M,终端负载电阻为100 欧时所得出的。(引自GB11014-89 附录A)。当数据信号速率降低到90Kbit/S 以下时,假定最大容许的信号损失为6dBV 时,则电缆长度被限制在1200m。实际上,在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆,则取得的最大电缆长度是不相同的。例如:当数据信号速率为600Kbit/S 时,采用24AWG 电缆,最大电缆长度是200m,若采用19AWG电缆(线径为0.91mm)则电缆长度将可以大于200m;若采用28AWG 电缆(线径为0.32mm),则电缆长度只能小于200m。

RS-485的远距离通信建议采用屏蔽电缆,并且将屏蔽层作为地线。

六、影响RS-485总线通讯速度和通信可靠性的三个因素

1、在通信电缆中的信号反射

在通信过程中,有两种信号因素导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。

阻抗不连续,信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有,信号在这个地方就会引起反射,如图所示。这种信号反射的原理,与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法,就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻,使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的,因此,在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。

从理论上分析,在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻,就再也不会出现信号反射现象。但是,在实现应用中,由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关,特性阻抗不可能与终端电阻完全相等,因此或多或少的信号反射还会存在。

引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射,主要表现在通讯线路处在空闲方式时,整个网络数据混乱。

信号反射对数据传输的影响,归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器,使接收器收到了错误的信号,导致CRC校验错误或整个数据帧错误。

在信号分析,衡量反射信号强度的参数是RAF(Refection AttenuationFactor反射衰减因子)。它的计算公式如式(1)。

RAF=20lg(Vref/Vinc) (1)

式中:Vref—反射信号的电压大小;Vinc—在电缆与收发器或终端电阻连接点的入射信号的电压大小。

具体的测量方法如图3所示。例如,由实验测得2.5MHz的入射信号正弦波的峰-峰值为+5V,反射信号的峰-峰值为+0.297V,则该通讯电缆在2.5MHz的通讯速率时,它的反射衰减因子为:

RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB

要减弱反射信号对通讯线路的影响,通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中,对于比较小的反射信号,为简单方便,经常采用加偏置电阻的方法。在通讯线路中,如何通过加偏置电阻提高通讯可靠性的原理。

2、在通讯电缆中的信号衰减

第二个影响信号传输的因素是信号在电缆的传输过程中衰减。一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成的等效电路,如图所示。

电缆的分布电容C主要是由双绞线的两条平行导线产生。导线的电阻在这里对信号的影响很小,可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电感组成的LC低通滤波器。PROFIBUS用的LAN标准型二芯电缆(西门子为DP总线选用的标准电缆),在不同波特率时的衰减系数如表1所示。

电缆的衰减系数

3、在通讯电缆中的纯阻负载

影响通讯性能的第三个因素是纯阻性负载(也叫直流负载)的大小。这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和RS-485收发器三者构成。

在叙述EIA RS-485规范时曾提到过RS-485驱动器在带了32个节点,配置了150Ω终端电阻的情况下,至少能输出1.5V的差分电压。一个接收器的输入电阻为12kΩ,整个网络的等效电路如图5所示。按这样计算,RS-485驱动器的负载能力为:

RL=32个输入电阻并联2个终端电阻=((12000/32)×(150/2))/(12000/32)+(150/2))≈51.7Ω

现在比较常用的RS-485驱动器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利时公司使用的SN75176A/D等,其中有的RS-485驱动器负载能力可以达到20Ω。在不考虑其它诸多因素的情况下,按照驱动能力和负载的关系计算,一个驱动器可带节点的最大数量将远远大于32个。

在通讯波特率比较高的时候,在线路上偏置电阻是很有必要的。偏置电阻的连接方法如图6。它的作用是在线路进入空闲状态后,把总线上没有数据时(空闲方式)的电平拉离0电平,如图7。这样一来,即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰,挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。

通过下面后例子了,可以计算出偏置电阻的大小:

终端电阻Rt1=Rr2=120Ω;

假设反射信号最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p,则负半周的电压Vref≤0.15V;终端的电阻上由反射信号引起的反射电流Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。一般RS-485收发器(包括SN75176)的滞后电压值(hysteresis value)为50mV,即:

(Ibias-Iref)×(Rt1||Rt2)≥50mV

于是可以计算出偏置电阻产生的偏置电流Ibias≥3.33mA

+5V=Ibias(R上拉+R下拉+(Rt1||Rt2)) (2)

通过式2可以计算出R上拉=R下拉=720Ω

在实际应用中,RS-485总线加偏置电阻有两种方法:

(1)把偏置电阻平衡分配给总线上的每一个收发器。这种方法给挂接在RS-485总线上的每一个收发器加了偏置电阻,给每一个收发器都加了一个偏置电压。

(2)在一段总线上只用一对偏置电阻。这种方法对总线上存在大的反射信号或干扰信号比较有效。值得注意的是偏置电阻的加入,增加了总线的负载。

七、RS-485总线的负载能力和通讯电缆长度之间的关系

在设计RS-485总线组成的网络配置(总线长度和带负载个数)时,应该考虑到三个参数:纯阻性负载、信号衰减和噪声容限。纯阻性负载、信号衰减这两个参数,在前面已经讨论过,现在要讨论的是噪声容限(Noise Margin)。RS-485总线接收器的噪声容限至少应该大于200mV。前面的论述者是在假设噪声容限为0的情况下进行的。在实际应用中,为了提高总线的抗干扰能力,总希望系统的噪声容限比EIA RS-485标准中规定的好一些。从下面的公式能看出总线带负载的多少和通讯电缆长度之间的关系:

Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias)(3)

其中:Vend为总线末端的信号电压,在标准测定时规定为0.2V;Vdriver为驱动器的输出电压(与负载数有关。负载数在5~35个之间,Vdriver=2.4V;当负载数小于5,Vdriver=2.5V;当负载数大于35,Vdriver≤2.3V);Vloss为信号在总线中的传输过程中的损耗(与通讯电缆的规格和长度有关),由表1提供的标准电缆的衰减系数,根据公式衰减系数b=20lg(Vout/Vin)可以计算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注:通讯波特率为9.6kbps,电缆长度1km,如果特率增加,Vloss会相应增大);Vnoise为噪声容限,在标准测定时规定为0.1V;Vbias是由偏置电阻提供的偏置电压(典型值为0.4V)。

式(3)中乘以0.8是为了使通信电缆不进入满载状态。从式(3)可以看出,Vdriver的大小和总线上带负载数的多少成反比,Vloss的大小和总线长度成反比,其他几个参数只和用的驱动器类型有关。因此,在选定了驱动器的RS-495总线上,在通信波特率一定的情况下,带负载数的多少,与信号能传输的最大距离是直接相关的。具体关系是:在总线允许的范围内,带负载数越多,信号能传输的距离就越小;带负载数据少,信号能传输的距离就发越远。

八、分布电容对RS-485总线传输性能的影响

电缆的分布电容主是由双绞线的两条平行导线产生。另外,导线和地之间也存在分布电容,虽然很小,但在分析时也不能忽视。分布电容对总线传输性能的影响,主要是因为总线上传输的是基波信号,信号的表达方式只有“1”和“0”。在特殊的字节中,例如0x01,信号“0”使得分布电容有足够的充电时间,而信号“1”到来时,由于分布电容中的电荷,来不及放电,(Vin+)—(Vin-)-还大于200mV,结果使接爱误认为是“0”,而最终导致CRC校验错误,整个数据帧传输错误。具体过程如图所示。

由于总线上分布影响,导致数据传输错误,从而使整个网络性能降低。解决这个问题有两种方法:

(1)降低数据传输的波特率;

(2)使用分布电容小的电缆,提高传输线的质量。

仅仅用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来,而不对RS-485通信链路的信号接地,在某些情况下也可以工作,但给系统埋下了隐患。RS-485接口采用差分方式传输信号并不需要对于某个参照点来检测信号系统,只需检测两线之间的电位差就可以了。但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7V至+12V)的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围,就会影响通信的可靠直至损坏接口。如图1所示,当发送器A向接收器B发送数据时,发送器A的输出共模电压为VOS,由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差VGPD,那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-485标准规定VOS≤3V,但VGPD可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏),并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入VCM超出正常围,在信号线上产生干扰电流影响正常通信,或损坏设备。

总结:

串口是一种非常通用的设备接口,是仪器仪表设备常用的通信接口,常用于远程采集设备数据或者实现远程控制。串口的开发也比较简单,是很多工程师最喜欢的接口之一。

来源:硬件十万个为什么

围观 12

还记得当年的打印机,鼠标和调制解调器吗?他们都有巨大笨重的连接器和粗电缆,并且必须拧到你的电脑上。这些设备正是使用UART协议与计算机进行通信。虽然USB几乎完全取代了旧的电缆和连接器,但UART绝对没有过时。您会发现目前许多项目中使用UART的GPS模块、蓝牙模块和RFID读卡器模块等连接到Raspberry Pi,Arduino或其他微控制器上。

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片,UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。

它不是像SPI和I2C这样的通信协议,而是微控制器中独立的物理电路或独立的IC。

UART最好的一点是它只使用两根线就可以在设备之间传输数据,UART背后的原理很容易理解。

UART通信简介

在UART通信中,两个UART直接相互通信。发送UART将来自CPU等控制设备的并行数据转换为串行形式,并将其串行发送到接收UART,接收UART然后将串行数据转换回接收设备的并行数据。在两个UART之间传输数据只需要两根线。数据从发送UART的Tx引脚流向接收UART的Rx引脚:

UART以异步方式发送数据,这意味着没有时钟信号将发送UART的位输出与接收UART的位采样同步。发送UART不是时钟信号,而是将开始和停止位添加到正在传输的数据包中。这些位定义数据包的开始和结束,因此接收UART知道何时开始读取位。

当接收UART检测到起始位时,它开始以称为波特率的特定频率读取输入位。波特率是数据传输速度的度量,以每秒位数(bps)表示。两个UART必须以大致相同的波特率运行。发送和接收UART之间的波特率只能相差10%左右。

两个UART还必须配置为发送和接收相同的数据包结构。

UART如何工作

UART传输数据依靠的是UART总线,数据总线用于通过CPU,存储器或微控制器等其他设备将数据发送到UART。数据以并行形式从数据总线传输到发送UART。在发送UART从数据总线获得并行数据之后,它将添加起始位,奇偶校验位和停止位,从而创建数据包。接下来,数据包在Tx引脚上逐位串行输出。UART接收端则在其Rx引脚上逐位读取数据包。然后,接收UART将数据转换回并行形式,并删除起始位,奇偶校验位和停止位。最后,接收UART将数据包并行传输到接收端的数据总线:

UART传输的数据被组织成数据包。每个数据包包含1个起始位,5到9个数据位(取决于UART),可选的奇偶校验位以及1或2个停止位:

开始位
当UART数据传输线不传输数据时,它通常保持在高电压电平。为了开始数据传输,发送UART将传输线从高电平拉至低电平一个时钟周期。当接收UART检测到高电压到低电压转换时,它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

数据框
数据框包含要传输的实际数据。如果使用奇偶校验位,则它可以是5位到8位长。如果不使用奇偶校验位,则数据帧可以是9位长。在大多数情况下,数据首先以最低有效位发送。

奇偶校验位
奇偶校验描述数字的均匀性或奇数。奇偶校验位是接收UART在传输过程中判断是否有任何数据发生变化的一种方法。电磁辐射、不匹配的波特率或长距离传输时,数据都有可能发生变化。接收UART读取数据帧后,它会计算值为1的位数,并检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0(偶校验),则数据帧中的1位应总计为偶数。如果奇偶校验位是1(奇校验),则数据帧中的1位应总计为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时,UART知道传输没有错误。但如果奇偶校验位为0,然而1位应总计为奇数;或者奇偶校验位是1,并且1位应总计是偶数,则数据帧中的位已经改变。

停止位
为了通知传输数据包的结束,UART发送端会将数据传输线从低电压驱动至高电压至少两位持续时间。

UART传输步骤

1.发送UART从数据总线并行接收数据:

2.发送UART将起始位,奇偶校验位和停止位添加到数据帧:

3.整个数据包从发送UART串行发送到接收UART。接收UART以预先配置的波特率对数据线进行采样:

4.接收UART丢弃数据帧中的起始位,奇偶校验位和停止位:

5.接收UART将串行数据转换回并行并将其传输到接收端的数据总线:

UART的优点和缺点

没有任何一种通信协议是完美的,以下是一些优点和缺点,可帮助您确定它们是否符合您项目的需求:

优点
只使用两根电线
不需要时钟信号
有一个奇偶校验位
只要双方设置后,就可以改变数据包的结构
有完整的文档并且具有广泛的使用

缺点
数据帧的大小限制为最多9位
不支持多个从属或多个主系统
每个UART的波特率必须在10%之内

来源:EDN电子技术设计

围观 21

作者: TI 工程师 Max Han

简介

MSP430FR2311是一款FRAM数字控制器,可以实现超低功耗,并且集成了丰富的外设模块,可以满足工业和消费等多种应用。MSP430FR2311中的eUSCI_A0支持UART通讯,本文对此UART模块的寄存器配置进行了详细的分析和计算,以帮助工程师对此UART模块进行深入理解和灵活配置。

UART通讯模块介绍

图1是MSP430FR2311的系统架构图,eUSCI_A0模块如红框所示,它支持UART通讯。

MSP430FR2311 中UART模块寄存器配置的分析和计算
图 1 MSP430FR2311系统架构图

UART属于异步通信模式,MSP430FR2311通过UCA0RXD和UCA0TXD与其它芯片相连,芯片之间并没有时钟信号CLK连接。

在工程应用中,首先根据工程需要选择合适的波特率(Baud Rate),在MSP430FR2311中成为BITCLK,然后选择UART模块的时钟源BRCLK,根据选择的波特率和时钟源频率,进行合适的寄存器配置,便可实现UART通讯。在MSP430FR2311中,UCA0CTLW0中的UCSSELx用来选择时钟源,波特率通过UCOS16, UCBRx, UCBRFx和 UCBRSx来设定。

低频波特率配置

如果BRCLK是BITCLK的整数倍,即BRCLK/BITCLK=N,这时比较容易理解,在UART传输时,每个数据bit时长包含了N个BRCLK。

但往往BRCLK不是BITCLK的整数倍,这时要实现UART通讯就需要进行合适的调制(modulation),以避免累积误差导致UART通讯失败。在MSP430FR2311中,UCBRSx用来实现合理调制。

以传输一个8bit数据为例,在发送的bit位中包含start bit,8bit数据,parity bit和stop bit。

在SLAA049中,用图标明了UCBRSx的modulation模式,如图二所示,它是以8bit为一个循环进行调制。

MSP430FR2311 中UART模块寄存器配置的分析和计算
图2 UCBRSx的modulation模式

以时钟源频率BRCLK 32768Hz,波特率BITCLK 2400Hz为例,32768/2400=13.6533,所以UCOS16=0,UCBRx=13,modulation的作用主要是用来消除累积误差,所以如下表所示,当累积误差大于等于0.5时,UCBRSx对应的位置1,否则清零。经过计算,UCBRSx=0xB6.

表1 UCBRSx的生成说明
MSP430FR2311 中UART模块寄存器配置的分析和计算

所以调制后的Timing如图3所示,图中13代表13个BRCLK时长,14代表14个BRCLK时长。

MSP430FR2311 中UART模块寄存器配置的分析和计算
图3 Modulated Timing

再以时钟源频率BRCLK 1048576Hz,波特率BITCLK 115200为例,1048576/115200=9.1022,所以UCOS16=0,UCBRx=9,对于m5,虽然小数部分大于0.5,但是由于在m4的位置已经增加了1个BRCLK的时长,所以需要小数部分累积到大于1.5后,UCBRSx的位才会设置为1。经过计算,UCBRSx=0x08.

表2 UCBRSx的生成说明
MSP430FR2311 中UART模块寄存器配置的分析和计算

MSP430FR2311 User’s Guide中提供了UCBRSx的调制数据,方便快速获得正确的UCBRSx值。如图4所示。

MSP430FR2311 中UART模块寄存器配置的分析和计算
图 4 UCBRSx设定值速查表

高频波特率配置

MSP430FR2311中包含了一个过采样波特率模式(oversampling baud-rate mode),用来支持高频时钟源。UCA0MCTLW中UCOS16用来使能过采样波特率模式。当UCOS16=1时,过采样波特率模式使能,此时UCBRx中1对应16个BRCLK时长,UCBRFx中1对应1个BRCLK时长。

以时钟源频率BRCLK 4000000Hz,波特率BITCLK 57600为例,4000000/57600=69.4444,再将69除以16,商为4,余数为5,所以UCOS16=1,UCBRx=4,UCBRFx=5. UCBRSx的设置如前面的讨论,不再赘述,UCBRSx=0x55.

在过采样波特率模式中,数值判定(majority votes)时,总是以1/16的数据bit时长(1/BITCLK)来分段。MSP430FR2311 User Guide中提供了UCBRFx的调制表格,如表3所示。

表3 UCBRFx调制模式
MSP430FR2311 中UART模块寄存器配置的分析和计算

所以在这个例子中,一个数据bit时长如图5所示。

MSP430FR2311 中UART模块寄存器配置的分析和计算
图5 UCBRFx调制

参考文献

MSP430FR231x Mixed-Signal Microcontrollers, datasheet, SLASE58C
MSP430 Universal Synchronous Asynchronous Receive/Transmit Communication Interface, SLAA049
MSP430FR4xx and MSP430FR2xx Family User's Guide, SLAU445H

转自:TI E2E™ 中文社区

围观 538

UART、SPI、IIC是经常用到的几个数据传输标准,下面就分别总结一下:

UART(Universal Asynchronous Receive Transmitter):也就是我们经常所说的串口,基本都用于调试。

主机和从机至少要接三根线,RX、TX和GND。TX用于发送数据,RX用于接受数据(收发不是一根线,所以是全双工方式)。注意A和B通信A.TX要接B.RX,A.RX要接B.TX(A用TX发B当然要用RX来收了!)

如果A是PC机,B是单片机,A和B之间还要接一块电平转换芯片,用于将TTL/CMOS(单片机电平)转换为RS232(PC机电平)。因为TTL/CMOS电平范围是0~1.8/2.5/3.3/5V(不同单片机范围不同),高电压表示1,低电压表示0。而RS232逻辑电平范围-12V~12V,-5~-12表示高电平,+5~+12V表示低电平(对!你没有听错)。为什么这么设置?这就要追溯到调制解调器出生时代了,有兴趣自己去查资料!

数据协议:以PC机A给单片机B发数据为例(1为高电平,0为低电平):A.TX to B.RX。刚开始B.RX的端口保持1,当A.TX发来一个0作为起始位告诉B我要发数据了!然后就开始发数据,发多少呢?通常一次是5位、6位、7位、8位,这个双方事先要用软件设置好。PC机一般会用串口助手设置,单片机会在uart的驱动中设置。一小帧数据发送完了以后,A.TX给个高电平告诉B.RX我发完了一帧。如果还有数据,就再给个0然后重复上一步。如果双方约定由校验位,还要在发停止位1之前发送个校验位,不过现在一般都不需要校验位了,因为出错的概率太小了,而且一般用于调试,所以...呵呵呵!

一般在串口助手上还有个RTS/CTS流控选项,也叫握手,我从来没用过。搬一段我能理解的介绍:RTS(请求发送),CTS(清除发送)。如果要用这两个功能,那就至少要接5根线:RX+TX+GND+RTS+CTS。当A要发送数据时,置RTS有效(可能是置1),告诉B我要发送数据了。当B准备好接受数据后,置CTS有效,告诉A你可以发了。然后他们就实现了两次握手!挺耽误时间是不是?这个RTS还可以当电源使用,如果你不用它的握手功能,且电源电流在50mA以下时,就可以把它置为高电平可以当电源用喔~!

IIC(Inter Integrated Circuit):两根线,一个时钟线SCL和一个数据线SDA。只有一根数据线,所以是半双工通信。接线不难,而且两根线上也可以挂很多设备(每个设备的IIC地址不同),数据协议比较麻烦:

还是假设A给B发数据(这里A.SCL接B.SCL, A.SDA接B.SDA)。起初SDA和SCL上的电平都为高电平。然后A先把SDA拉低,等SDA变为低电平后再把SCL拉低(以上两个动作构成了iic的起始位),此时SDA就可以发送数据了,与此同时,SCL发送一定周期的脉冲(周期和PCLK有关,一般会在IIC的控制寄存器中设置)。SDA发送数据和SCL发送脉冲的要符合的关系是:SDA必须在SCL是高电平是保持有效,在SCL是低电平时发送下一位(SCL会在上升沿对SDA进行采样)。规定一次必须传8位数据,8位数据传输结束后A释放SDA,但SCL再发一个脉冲(这是第九个脉冲),这会触发B通过将SDA置为低电平表示确认(该低电平称为ACK)。最后SCL先变为高电平,SDA再变为高电平(以上两个动作称为结束标志)如果B没有将SDA置为0,则A停止发送下一帧数据。IIC总线(即SDA和SCL)上的每个设备都有唯一地址,数据包传输时先发送地址位,接着才是数据。一个地址字节由7个地址位(可以挂128个设备)和1个指示位组成(7位寻址模式)。指示位是0表示写,1表示读。还有10位寻址模式,使用两个字节来保存地址,第一个字节的最低两位和第二个字节的8位合起来构成10位地址。

UART, SPI, IIC对比和总结

SPI(Serial Peripheral Interface, SPI):4条线:MOSI(master output and slave input),MISO,SCLK(时钟),CS(片选)。片选信号低电平有效。SPI有四种模式

区别和联系:

UART一帧可以传5/6/7/8位,IIC必须是8位。IIC和SPI都从最高位开始传。

SPI用片选信号选择从机,IIC用地址选择从机。

来源:TopDstar

围观 397

目前扩展串口的方法主要有以下方法,

①、采用串口扩展芯片实现,如ST16C550、ST16C554、SP2538、MAX3110等,虽然成本较高, 但系统的可靠性得到了保证,适用于数据量较大、串口需求较多的系统;

②、采用分时切换的方法将一个串口扩展与多个串口设备通信,分时复用的方法成本低, 但只适用于数据量不大的场合, 并且只能由这个单片机主动和多个设备通信,实时性差;

③、用软件模拟的方法扩展串口,其优势也是成本低、实时性好, 但要占用一些CPU时间。

一般的软件模拟扩展串口方法,使用1个I/O端口、1个INT外部中断和定时器,该方法扩展的串口有2个缺点,
①、由于使用了INT外部中断,故只能使用2个INT外部中断扩展2个串口。
②、文中的发送和接收数据的效率比较低,占用了CPU的大量时间,不能与其他任务同时进行,所以使用范围有限。

本文提出的模拟串口方法,仅使用2个普通I/O和1个定时器,由于不需要INT的限制,可以扩展出多个串口,且带FIFO的功能,该方法扩展模拟串口的收发数据在中断服务中完成,所以非常效率高,一般的单片机都支持定时器中断,所以所以该方法在大多数单片机上都可以应用。

对于低速度的单片机(如89S51)可以扩展出低速串口(9600、4800等),对于高速单片机(如AVR、PIC、C8051、STC12)可以扩展高速串口(如19200、28800、38400、57600等)。目前单片机的处理速度越来越高,而价格越来越便宜,本文使用的STC12C1052芯片就具有高速度和低价格,价格仅为每片人民币3.8元。电子产品的开发设计时,要求在保证性能的情况下降低硬件成本,软件模拟扩展串口提供了一种降低成本的好方法。

1、串口通讯原理

在串口的异步通信中,数据以字节为单位的字节帧进行传送,发送端和接收端必须按照相同的字节帧格式和波特率进行通信,其中字节帧格式规定了起始位、数据位、寄偶效验位、停止位。起始位是字节帧的开始,使数据线处于逻辑0状态,用于向接收端表明开始发送数据帧,起到使发送和接收设备实现同步。停止位是字节帧的终止,使数据线处于逻辑1状态,用于向接收端表明数据帧发送完毕。波特率采用标准速度,如4800、9600、19200、28800、38400、57600等。

2、软件UART的设计思想

在本设计对硬件要求方面,仅仅占用单片机的任意2个I/O端口和1个定时器,利用定时器的定时中断功能实现精确的波特率定时,发送和接收都在定时中断的控制之下进行。

数据发送的思想是,当启动字节发送时,通过TxD先发起始位,然后发数据位和奇偶数效验位,最后再发停止位,发送过程由发送状态机控制,每次中断只发送1个位,经过若干个定时中断完成1个字节帧的发送。

数据接收的思想是,当不在字节帧接收过程时,每次定时中断以3倍的波特率监视RxD的状态,当其连续3次采样电平依次为1、0、0时,就认为检测到了起始位,则开始启动一次字节帧接收,字节帧接收过程由接收状态机控制,每次中断只接收1个位,经过若干个定时中断完成1个字节帧的接收。

为了提高串口的性能,在发送和接收上都实现了FIFO功能,提高通信的实时性。FIFO的长度可以进行自由定义,适应用户的不同需要。

波特率的计算按照计算公式进行,在设置最高波特率时一定要考虑模拟串口程序代码的执行时间,该定时时间必须大于模拟串口的程序的规定时间。单片机的执行速度越快,则可以实现更高的串口通讯速度。

3、软件UART设计的实现

本程序在宏晶科技(深圳)生产的STC12C1052高速单片机上进行运行测试,STC12C1052单片机是单时钟/机器周期的MCS51内核单片机,与89C2051引脚完全兼容,其工作频率达35MHz,相当与420MHz的89C2051单片机,每片人民币3.8元。由于该单片机的高速度,使得软件扩展串口的方法,更方便实现高速的串口。

本扩展串口的设计中,STC12C1052使用的晶振频率为22.1184Mhz,以波特率的3倍计算定时时间,在接收过程中以此定时进行接收起始位的采样,在发送和接收过程中再3分频得到标准波特率定时,进行数据发送与接收。

3.1、数据定义

定义模拟串口程序所必须的一些资源,如I/O引脚、波特率、数据缓冲区等。

#define Fosc 22118400 //晶振频率
#define Baud 38400 //波特率
#define BaudT (Fosc/Baud/3/12)
#define BufLong 16 //FIFO长度
sbit RxD1=P1^7; //模拟接收RxD
sbit TxD1=P1^6; //模拟发送TxD
bit Brxd1,Srxd1;//RxD检测电平
BYTE Rbuf1[BufLong];//FIFO接收区
BYTE Rptr1,Rnum1;
BYTE Tbuf1[BufLong];//FIFO发送区
BYTE Tptr1,Tnum1;
BYTE TimCnt1A,TimCnt1B;
BYTE Mtbuf1,Mrbuf1,TxdCnt1,RxdCnt1;

3.2、数据接收子程序

数据接收过程中,依次存储RxD的逻辑位形成字节数据,当数据接收完毕且停止位为1时,表示接收到了有效数据,就将结果存储到接收FIFO队列中去。

void Recv()
{
if(RxdCnt1>0) //存数据位8个
{
Mrbuf1>>=1;
if(RxD1==1) Mrbuf1=Mrbuf1|0x80;
}
RxdCnt1–;
if(RxdCnt1==0&& RxD1==1) //数据接收完毕
{
Rbuf1[Rptr1]=Mrbuf1; //存储到FIFO队列
if(++Rptr1>BufLong-1) Rptr1=0;
if(++Rnum1>BufLong) Rnum1=BufLong;
}
}

3.3、数据发送子程序

该程序过程中,当数据发送状态结束时,检测发送FIFO队列是否为空,若非空则取出发送数据,然后启动发送状态;当处于发送状态时,则按照状态机的状态进行起始位、数据位和停止位的发送。

void Send()
{
if(TxdCnt1!=0) //字节发送状态机
{
if(TxdCnt1==11) TxD1=0;//发起始位0
else if(TxdCnt1>2) //发数据位
{ Mtbuf1>>=1; TxD1=CY;}
else TxD1=1; //发终止位1
TxdCnt1–;
}
else if(Tnum1>0) //检测FIFO队列
{
Tnum1–;
Mtbuf1=Tbuf1[Tptr1]; //读取FIFO数据
if(++Tptr1>=BufLong) Tptr1=0;
TxdCnt1=11; //启动发送状态机
}
}

3.4、中断程序

中断定时时间为波特率定时的1/3,即以3倍的波特率对RxD进行采样,实现起始位的判别,当起始位到达时启动接收过程状态机。将该定时进行3分频再调用数据的发送和接收过程,进行准确波特率下的串口通信。

void Uart() interrupt 1 using 1
{
if(RxdCnt1==0 ) //接收起始识别
{
if(RxD1==0 && Brxd1==0 && Srxd1==1) { RxdCnt1=8; TimCnt1B=0;}
}
Srxd1=Brxd1; Brxd1=RxD1;
if(++TimCnt1B>=3 && RxdCnt1!=0) { TimCnt1B=0; Recv();}//数据接收
if(++TimCnt1A>=3) { TimCnt1A=0; Send();} //数据发送
}

3.5、串口初始化

打开定时器的中断,将定时器的设置为自装载模式,依照波特率设置定时中断的定时间隔,启动定时器,并进行UART各变量的初始化。

void IniUart()
{
IE=”0x82″; TMOD=”0x22″;
TH0=-BaudT; TL0=-BaudT; TR0=1;
Rptr1=0;Rnum1=0;Tptr1=0;Tnum1=0;
}

4、结束语

本文提出的模拟串口设计方法,其独特之处在于:仅仅使用任意2个普通I/O引脚和1个定时中断实现了全双工串口,对硬件的占用较少,具有多可串口扩展能力;在串口接收的起始位判别时采用了连续3次采样的判别方法,该方法实现简单、准确率高;用定时中断实现了串口数据的发送和接收,并实现了FIFO队列,使串口发送和接收工作效率高。

来源: 快易购

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