UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，通用非同步收发器）是嵌入式系统中最常用的串行通信协议之一。它通过TX（传输）和RX（接收）两根线实现全双工通信，广泛应用于设备之间的数据传输。本文将详细介绍UART协议的基本原理、硬件连接、软件实现以及实际应用，帮助读者全面掌握UART的使用方法。
一、UART协议的功能与特点
功能
UART用于实现嵌入式系统中的串行通信。
支持全双工通信，即可以同时发送和接收数据。
通常用于短距离通信，如设备与设备之间的数据传输。特点
全双工通信：可以同时发送和接收数据。
异步通信：没有固定的时钟信号，通过波特率协调数据传输。
高灵活性：支持多种波特率和数据格式。
硬件实现简单：只需两根线（TX和RX）即可实现通信。
二、UART协议的工作原理总线结构
UART协议使用两根主要线：
TX（传输线）：用于发送数据。
RX（接收线）：用于接收数据。
此外，UART还支持流控制信号：
CTS（Clear to Send）：表示可以发送数据。
RTS（Request to Send）：请求发送数据。
2. 通信模式
UART支持以下几种通信模式：
单工通信：只能单向传输数据。
半双工通信：可以双向传输数据，但不能同时发送和接收。
全双工通信：可以同时发送和接收数据。
3. 数据传输格式
UART协议的数据帧格式如下：
起始位：表示数据传输的开始。
数据位：通常为8位，但也可以是7位或9位。
奇偶校验位：用于检测数据传输中的错误。
停止位：表示数据传输的结束，通常为1位或2位。
三、UART软件实现
初始化UART模块
在开始UART通信之前，需要对UART模块进行初始化，包括设置波特率、数据位、停止位和奇偶校验等参数。以下是初始化的主要步骤：
配置UART时钟。
设置波特率。
配置数据位、停止位和奇偶校验。
启用UART模块。
2. UART发送数据
以下是UART发送数据的流程：
检查UART的发送缓冲区是否为空。
将数据加载到发送缓冲区。
启动发送。
等待数据发送完成。
3. UART接收数据
以下是UART接收数据的流程：
检查UART的接收缓冲区是否有数据。
读取数据。
处理接收到的数据。
4. 中断处理
为了提高系统的效率，可以使用中断处理UART的发送和接收。以下是中断处理的主要步骤：
配置UART中断。
编写中断服务程序（ISR）。
在ISR中处理发送和接收的数据。
四、实际应用示例
以下以STM32单片机为例，演示如何通过UART协议与PC进行通信。
硬件连接
STM32的UART2_TX引脚连接到PC的串口的RX引脚。
STM32的UART2_RX引脚连接到PC的串口的TX引脚。
使用串口调试工具（如PuTTY）进行通信。软件实现
（1）UART初始化
#include "stm32f10x.h"
void UART_Init(void) {
// 配置GPIO为UART模式
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; // 设置波特率为9600
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8位数据
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 1位停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_None; // 无奇偶校验
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_TX | USART_Mode_RX; // 收发模式
USART_Init(USART2, &USART_InitStructure);
USART_Cmd(USART2, ENABLE); // 启用USART2
}
（2）UART发送数据
void UART_SendChar(uint8_t ch) {
while (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_TXE) == RESET);
USART_SendData(USART2, ch);
}
（3）UART接收数据
uint8_t UART_ReceiveChar(void) {
while (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
return USART_ReceiveData(USART2);
}
（4）主程序
int main(void) {
UART_Init(); // 初始化UART
while(1) {
// 发送字符'A'
UART_SendChar('A');
// 延时1秒
Delay_Ms(1000);
}
}
PC端调试
打开PuTTY，选择“Serial”选项。
设置波特率为9600，数据位为8位，停止位为1位，奇偶校验为无。
点击“Open”打开串口。
会看到STM32发送的字符’A’。
五、常见问题总结
数据接收错误：检查波特率是否一致，确保发送端和接收端的波特率设置相同。
通信不稳定：检查串口连接是否正确，确保TX和RX线没有短路或断开。
数据丢包：增加接收缓冲区的大小，减少数据发送的频率，或者使用流控制信号。
中断处理问题：确保中断服务程序（ISR）正确处理发送和接收的数据，避免数据溢出。
六、结语
UART协议是嵌入式系统中一种高效、可靠的通信方式，广泛应用于设备之间的数据传输。本文通过详细的理论讲解和实际应用示例，帮助读者全面掌握UART协议的使用方法。无论是开发入门还是项目实战，这篇教程都能为您提供有价值的参考。希望您在嵌入式开发的道路上越走越远！