UART串口通信协议有哪些？

虽然 USB 几乎完全取代那些旧电缆和连接器，但 UART 绝对不会成为过去。您会发现许多 DIY 电子项目都使用 UART。

将 GPS 模块、蓝牙模块和 RFID 读卡器模块连接到您的 Raspberry Pi、Arduino、ESP32 或其他微控制器 MCU。

UART 是通用异步接收器/发送器。它不同于 SPI、I2C 那样的通信协议，而是微控制器中的物理电路，或者说是独立的 IC。UART 的主要用途是传输和接收串行数据。

UART 的优点之一是它只使用两条线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。发送端 UART 将来自微控制器设备的并行数据转换为串行形式，将其串行数据传输到接收端 UART。

然后接收端 UART 将串行数据转换回并行数据。在两个 UART 之间传输数据只需要两根线。数据从发送端 UART 的 Tx 引脚流向接收端 UART 的 Rx 引脚。

串口RS232

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。UART是一种通用的数据通信协议，也是异步串行通信口(串口)的总称，它在发送数据时将并行数据转换成串行数据来传输，在接收数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。它包括了RS 232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。

串口简介

串口作为常用的三大低速总线(UART、SPI、IIC)之一，在设计众多通信接口和调试时占有重要地位。但UART和SPI、IIC不同的是，它是异步通信接口，异步通信中的接收方并不知道数据什么时候会到达，所以双方收发端都要有各自的时钟，在数据传输过程中是不需要时钟的，发送方发送的时间间隔可以不均匀，接受方是在数据的起始位和停止位的帮助下实现信息同步的。而SPI、IIC是同步通信接口，同步通信中双方使用频率一致的时钟，在数据传输过程中时钟伴随着数据一起传输，发送方和接收方使用的时钟都是由主机提供的。

UART通信只有两根信号线，一根是发送数据端口线叫tx(Transmitter)，一根是接收数据端口线叫rx(Receiver)，如图所示，对于PC来说它的tx要和对于FPGA来说的rx连接，同样PC的rx要和FPGA的tx连接，如果是两个tx或者两个rx连接那数据就不能正常被发送出去和接收到，rx和tx都是相对自身主体来讲的。UART可以实现全双工，即可以同时进行发送数据和接收数据。通信协议的分类

按照消息传送的方向与时间关系，通信协议可分为以下3种。

单工通信

单工通信(Simplex Communication)是指消息只能单方向传输的通信方式。

在单工通信中，发送端与接收端是固定的，即发送端只能发送信息，不能接收信息;接收端只能接收信息，不能发送信息。

例如：遥控器与电视、广播站与收音机。

半双工通信

半双工通信(Half-duplex Communication)中的“双工”表示通信的双方都可以发送信息，而“半”表示双方不能同时发送或同时接收信息，即对于同一个设备，同一时刻只能发信息或者收信息，不能在发信息的时候又收信息。

在这种工作方式下，发送端可以转变为接收端;接收端也可以转变为发送端。但是在同一个时刻，信息只能在一个方向上传输。因此，也可以将半双工通信理解为一种可以切换方向的单工通信。

例如：对讲机。

全双工通信

全双工通信(Full duplex Communication)：通信的双方可以同时发送和接收数据。

UART是“Universal Asynchronous Receiver/Transmitter”，通用异步收发器的缩写。在19世纪60年代，为了解决计算机和电传打字机通信，Bell发明了 UART协议，将并行输入信号转换成串行输出信号。因为UART简单实用的特性，其已经成为一种使用非常广泛的通讯协议。我们日常接触到的串口，RS232，RS485等总线，内部使用的基本都是 UART协议 。

为了更好的理解和分析协议与总线的关系，我们通常把一个完整的通讯规范划分成物理层，协议层以及应用层。物理层只定义真实的信号特性(比如电压，电流，驱动能力等)，以及电信号与逻辑信号0和1的对应关系;协议层不关心底层的0和1具体怎么实现，只规定逻辑信号的协议规范以及通讯过程(例如起始，数据以及结束等);应用层不关心数据是怎么获取的，只定义数据表示的意义，以及如何实现具体的业务逻辑。

图 1‑1 通讯协议的分层实现

最简单的UART协议应用，通常物理层只需要两根传输线，一根用于发送，一根用于接收，从而实现全双工通讯。对于单向传输，也可以只使用一根传输线。此类应用最典型的实例就是单片机的RX/TX端口互相连接，从而实现基于TTL电平的UART通讯。对于不同的传输距离以及可靠性的要求，替换不同的物理层实现既可以得到我们常见的RS232、RS485等通讯总线。

1.2. 不同的物理层实现

由于UART协议层的输入是逻辑0/1信号，而逻辑0/1信号在物理层可以通过不同的电平标准来区分。针对不同的通讯需求，便可以使用不同的物理层实现。例如简单的板内通讯，或者常见的设备调试场景，使用简单的LVTTL/TTL电平即可在两个设备间进行UART协议通讯。

图 1‑2 不同的物理层电平标准

通用的串口则使用的是RS232电平，可以增加传输距离，并且抵抗一定程度的信号干扰。付出的成本则是在物理层需要对应的电平转换芯片来实现，发送端需要将内部的高低电平信号转换成电压更高的+/-电压信号，接收端需要将+/-电压信号转换成内部的高低电平信号。

在工业通讯的场景下，为了进一步提高传输距离，以及增强信号的可靠性，一般会采用RS485的电平标准。在发送端将普通的高低电平信号转换成一对差分信号，在接收端将差分信号再转换成普通的高低电平信号。另外，RS485允许总线上连接多达128收发器，而TTL或者RS232则是点对点的连接。

1.2.1.基于TTL的UART通讯

基于TTL的UART通讯，是UART协议应用最简单的使用场景。即直接把数字I/O输出的高低电平作为实际的物理信号进行传输。在物理连接上，只需要设备共地，通过一根信号线即可完成单向的设备通讯。如果需要双向全双工，使用两根信号线即可。

图 1‑3 基于TTL的UART通讯

为了对比不同物理层实现的差别，我们可以观察发送相同数据时，不同物理层的实际信号有何不同。这里以发送字符‘D‘为例，通过璞石示波器，直接观察TTL实现传输的信号(探头接地端连接设备共地端，探头信号端连接上图蓝色信号线)，可以获得如图1‑4所示的信号波形。从波形可以看出，当没有数据传输时，UART信号会一直保持在高电平(具体信号幅度由I/O的供电电压决定)，数据传输时信号发生跳变，传输完成后信号重新回到空闲的高电平状态。

图 1‑4 TTL的UART信号波形

1.2.2.基于RS232的UART通讯

为了增强驱动能力，以增加传输距离和可靠性，RS232总线采用了双极性电压信号来进行物理传输。信号在发送/接收之前，通过电平转换芯片实现内部信号和总线信号的互相转换。连接方式和TTL电平完全相同，整个物理层只是多了一层电平转换。

图 1‑5 基于RS232的UART通讯

同样以发送字符‘D‘为例，璞石示波器的探头连接到信号端，可以采集到如图1‑6所示的实际波形。可以看出，RS232波形在空闲时为负电压，当有数据传输时，信号开始在正负电压之间跳变，传输完成后重新回到空闲的负电压状态。

图 1‑6 RS232的UART波形

1.2.3.基于RS485的UART通讯

RS485为复杂的工业环境而设计，和其它UART协议的物理层相比，RS485总线最大的特点就是使用了差分信号传输。信号在发送之前，通过RS485的收发器把单端信号转换成差分信号，再发送到总线上进行传输;同样在接收之前，总线上的差分信号通过收发器的转换变成单端信号再送给UART控制器进行接收。在RS485总线上，如果希望进行全双工的双向通讯，需要两对差分信号线(即4根信号线)。如果只进行半双工的双向通讯，则仅需要一对差分信号即可。