串行通信协议——UART

概述

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种广泛使用的串行通信协议，用于实现计算机与外设之间或两个计算机之间的数据传输。UART通信以异步方式进行，这意味着发送和接收设备不需要共享时钟信号。在嵌入式系统、工业控制、消费电子产品等领域，UART通信协议得到了广泛应用。

UART通信原理

UART通信基于RS-232标准，使用两条线进行数据传输：一条是发送线（TX），另一条是接收线（RX）。数据传输是异步的，每个字符的传输包括起始位、数据位、奇偶校验位（可选）和停止位。

1. 起始位：数据传输开始前，发送方将线路拉低，表示传输即将开始。
2. 数据位：紧随起始位之后，发送方发送数据。数据位的数量可以是5、6、7或8位。
3. 奇偶校验位（可选）：用于错误检测，可以是奇校验、偶校验或无校验。
4. 停止位：数据位和奇偶校验位之后，发送方将线路拉高，表示字符传输结束。

UART通信特点

• 异步通信：发送和接收设备不需要共享时钟信号。
• 简单易用：只需要两条线（TX和RX）即可进行通信。
• 成本低廉：硬件实现简单，成本较低。
• 传输速率：速率通常在300bps到115.2kbps之间，但速率受到物理限制。

UART在嵌入式系统中的应用

在嵌入式系统中，UART通常用于以下场景：

1. 调试和日志输出：通过UART将调试信息或日志输出到串行接口。
2. 外设通信：与传感器、显示器等外设进行数据交换。
3. 远程通信：通过UART与远程设备进行通信，如通过调制解调器进行电话线通信。

编写UART驱动

以下是一个简单的UART驱动示例，使用C语言编写，适用于嵌入式系统。

1. 初始化UART

首先，需要初始化UART硬件，设置波特率、数据位、停止位等参数。

#include 

#define UART_BASE_ADDR 0x4000C000 // 假设UART基地址为0x4000C000
#define UART_DR        (*(volatile uint32_t *)(UART_BASE_ADDR + 0x00)) // 数据寄存器
#define UART_FR        (*(volatile uint32_t *)(UART_BASE_ADDR + 0x18)) // 状态寄存器

void UART_Init(uint32_t baudrate) {
    // 假设系统时钟为72MHz
    uint32_t divisor = 72000000 / (16 * baudrate);
    
    // 设置波特率
    // 这里省略了具体的寄存器配置代码
}

void UART_SendByte(uint8_t data) {
    while (UART_FR & (1 << 5)); // 等待发送缓冲区为空
    UART_DR = data; // 发送数据
}

uint8_t UART_ReceiveByte() {
    while (!(UART_FR & (1 << 4))); // 等待接收缓冲区有数据
    return UART_DR; // 读取数据
}

2. 发送和接收数据

使用初始化函数设置好UART后，可以使用UART_SendByte和UART_ReceiveByte函数发送和接收数据。

void UART_Transmit(const char *data, uint32_t size) {
    for (uint32_t i = 0; i < size; i++) {
        UART_SendByte(data[i]);
    }
}

void UART_Receive(char *buffer, uint32_t size) {
    for (uint32_t i = 0; i < size; i++) {
        buffer[i] = UART_ReceiveByte();
    }
}

3. 应用示例

以下是一个使用UART发送和接收数据的示例。

#include 

int main() {
    UART_Init(9600); // 初始化UART，设置波特率为9600

    const char *message = "Hello, UART!";
    UART_Transmit(message, strlen(message)); // 发送数据

    char buffer[100];
    UART_Receive(buffer, 100); // 接收数据
    printf("Received: %s\n", buffer);

    return 0;
}

注意事项

• 在实际应用中，UART的初始化和配置可能需要根据具体的硬件平台进行调整。
• 确保UART的波特率与接收设备匹配，否则可能导致通信错误。
• 在多任务环境中，UART通信可能需要考虑同步和互斥问题。

通过上述内容，你应该对UART通信协议有了基本的了解，并能够编写简单的UART驱动程序。UART通信协议虽然简单，但在嵌入式系统和许多其他应用中仍然非常实用。

✅作者简介：热爱科研的嵌入式开发者，修心和技术同步精进

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