UART（通用異步收發傳輸協議）是一種常用的串行通信協議，廣泛應用于計算機、微控制器、嵌入式系統、通信設備等領域。其核心功能是通過異步方式在兩臺設備之間進行數據傳輸。UART協議不依賴于時鐘信號，而是通過起始位、數據位、停止位等方式來控制數據的傳輸和接收，具有硬件實現簡單、數據傳輸速率較高、可配置性強等特點。本文將詳細介紹UART協議的基礎知識，包括UART的工作原理、數據格式、傳輸過程、常見應用等內容。

一、UART協議概述

UART協議的全稱為Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即“通用異步收發傳輸協議”。它是一種基于串行通信的標準，通過一對傳輸線（通常為TX和RX）在設備間進行數據傳輸。UART協議的特點是使用異步通信模式，這意味著通信雙方無需共享時鐘信號，而是通過起始位和停止位來同步數據的發送和接收。

1.1 UART的工作模式

UART的工作模式是異步模式（Asynchronous Mode），即發送方和接收方不需要共享時鐘信號。通信的雙方通常會預設一個波特率（Baud Rate），并根據該速率通過起始位、數據位和停止位進行同步傳輸。由于無需時鐘信號，UART非常適用于短距離的設備間通信。

1.2 UART通信的基本組成

UART協議的通信通常包括以下幾個基本組成部分：

• 數據線（TX/RX）：用于數據傳輸的兩條線路，其中TX為發送線，RX為接收線。數據是通過這些線進行串行傳輸的。

• 波特率（Baud Rate）：表示數據傳輸的速率，單位為比特每秒（bps）。常見的波特率有9600、115200等，通信雙方必須設置相同的波特率才能正確傳輸數據。

• 數據位（Data Bits）：每次傳輸的有效數據位數，常見的配置為5位、6位、7位和8位數據位，通常設置為8位。

• 停止位（Stop Bits）：數據傳輸的結束標志，常見的停止位配置為1位、1.5位或2位。

• 校驗位（Parity Bit）：用于錯誤檢測的附加位，可配置為偶校驗、奇校驗或無校驗。

二、UART通信的工作原理

UART通信是基于串行數據傳輸的，每次傳輸的數據位數是固定的。數據傳輸的基本原理是：發送方將數據按順序發送到接收方，接收方按照相同的波特率和數據格式逐位接收數據。為了確保數據正確接收，通信雙方使用起始位、數據位、停止位以及可選的校驗位進行同步和檢測。

2.1 數據的傳輸過程

在UART協議中，數據傳輸是通過一位一位的串行方式進行的。數據的傳輸過程如下：

• 起始位：數據傳輸的開始由起始位標志。起始位通常是1位的低電平（0），用于同步發送方和接收方的時鐘。

• 數據位：數據位緊隨起始位之后，通常設置為8位數據，表示要傳輸的有效信息。數據位可以是任何有效的二進制數據。

• 停止位：數據位之后是停止位，通常是1位或2位的高電平（1），表示數據的結束，接收方可以開始準備接收下一組數據。

• 校驗位（可選）：在數據位后，可以插入一個校驗位，用于錯誤檢測。常見的校驗方式包括奇校驗、偶校驗和無校驗。

2.2 異步通信的特性

UART協議屬于異步通信協議，意味著發送方和接收方無需使用共享時鐘來同步傳輸。通過在每個數據包中加入起始位和停止位，接收方能夠在沒有外部時鐘信號的情況下識別數據的開始和結束位置，從而正確接收數據。

三、UART通信的各項參數配置

在實際應用中，UART協議的配置是根據具體的應用需求來設定的。以下是UART協議的幾個重要參數，它們直接影響通信的穩定性和效率。

3.1 波特率（Baud Rate）

波特率表示數據傳輸的速率，單位為比特每秒（bps）。波特率的選擇會影響通信的速度和穩定性，常見的波特率有9600、19200、38400、115200等。在通信開始之前，發送方和接收方必須預先設定相同的波特率，否則數據可能會丟失或出現錯誤。

3.2 數據位（Data Bits）

數據位是每次傳輸的數據單元，通常設置為8位。常見的設置還有5位、6位、7位等。數據位的設置取決于傳輸的數據類型和所需的精度。

3.3 停止位（Stop Bits）

停止位用于標記數據傳輸的結束，常見的停止位配置有1位、1.5位和2位。停止位的數量越多，通信的可靠性越高，但也會增加傳輸的時間。

3.4 校驗位（Parity Bit）

校驗位用于檢測傳輸過程中是否發生了錯誤。常見的校驗方式有：

• 偶校驗（Even Parity）：當數據中1的個數為偶數時，校驗位為0；為奇數時，校驗位為1。

• 奇校驗（Odd Parity）：當數據中1的個數為奇數時，校驗位為0；為偶數時，校驗位為1。

• 無校驗（No Parity）：沒有校驗位。

校驗位能幫助接收方檢測到單個錯誤，但不能糾正錯誤。

四、UART通信的應用領域

UART協議由于其簡單、低成本和高效的特點，廣泛應用于各種設備和系統中。下面列舉了一些常見的UART應用場景。

4.1 嵌入式系統

在嵌入式系統中，UART廣泛用于微控制器與外部設備（如傳感器、顯示器、調試器等）之間的通信。嵌入式設備通常需要與其他設備進行數據交換，UART協議因其低功耗和簡便性成為首選通信方式。

4.2 串口調試

許多開發板和嵌入式設備提供了UART接口，用于調試和監控設備的狀態。開發者可以通過串口連接計算機與嵌入式設備進行通信，實時查看系統日志和調試信息。

4.3 無線通信

UART還被用于無線通信模塊之間的數據傳輸，如藍牙模塊、Wi-Fi模塊、LoRa模塊等。這些無線模塊通常通過UART接口與主控設備進行通信，實現數據的無線傳輸。

4.4 工業控制

在工業控制系統中，UART協議用于各類設備間的數據傳輸。例如，PLC（可編程邏輯控制器）與傳感器、執行器、顯示設備等之間的通信，往往通過UART進行。由于其可靠性和實時性，UART被廣泛應用于自動化設備中。

4.5 計算機外設

許多外設設備，如鼠標、鍵盤、打印機、調制解調器等，也采用UART協議進行通信。通過串口連接，計算機能夠與這些外設進行數據交換。

五、UART協議的優缺點

5.1 優點

• 簡單易用：UART通信協議實現簡單，硬件設計成本低，適合嵌入式系統和低功耗設備。

• 無需時鐘信號：由于采用異步傳輸，UART無需外部時鐘信號，簡化了硬件設計。

• 靈活性高：波特率、數據位、停止位和校驗位均可配置，適應不同應用需求。

5.2 缺點

• 傳輸距離短：UART適合短距離通信，一般不超過15米，較長距離傳輸會受限。

• 傳輸速率有限：相較于其他協議（如SPI、I2C），UART的傳輸速率較低，雖然高波特率可提供較快的傳輸速度，但其性能依然有限。

• 不支持多設備通信：UART只能在兩臺設備之間進行點對點通信，不適合多設備連接。

六、總結

UART協議是一種廣泛應用的串行通信協議，具有簡單、靈活、成本低等優點。它通過異步傳輸模式進行數據交換，依靠起始位、數據位、停止位以及可選的校驗位來確保數據傳輸的準確性。盡管UART有一定的傳輸距離和速率限制，但它依然在嵌入式系統、工業控制、計算機外設等領域得到了廣泛應用。隨著技術的不斷發展，UART協議的應用場景將更加廣泛，成為現代通信系統中不可或缺的一部分。