UART通信TX和RX编码规则与波形

目录

概述

1 基本编码规则

1.1 帧结构

1.2 关键参数

1.3 串口通信要点

2 典型波形示例

3 时序特性

3.1 位时间计算

3.2  完整帧时间

4 使用IO模拟UART

5 实际波形案例分析

6 UART通信参数配置

6.1 关键参数详解

6.2 常用波特率表

7 UART编程模型

7.1 轮询方式

7.2 中断方式

7.3 DMA方式

8 UART变种与相关协议

概述

UART通信是一种异步串行通信协议，其中TX（发送线）和RX（接收线）分别用于发送和接收数据。本文主要介绍编码规则和波形。

1 基本编码规则

1.1 帧结构

USART
字符帧（
8
数据位和
1
停止位）

• 空闲状态：线路保持高电平（逻辑1）

• 起始位：1位低电平（逻辑0），标志数据帧开始

• 数据位：5-9位，通常为8位，LSB（最低位）先发送

• 校验位：奇校验、偶校验或无校验

• 停止位：1、1.5或2位高电平（逻辑1）

1.2 关键参数

• 波特率：常见的有9600、115200等

• 数据位：5、6、7、8、9位（常用8位）

• 停止位：1、1.5、2位

• 校验位：无、奇、偶校验

1.3 串口通信要点

2 典型波形示例

示例1：发送字符'A' (0x41 = 0100 0001b)

• 配置：8位数据，无校验，1停止位，波特率9600

• 发送顺序（LSB先发）：1 0 0 0 0 0 1 0

示例2：带奇校验的波形

发送字符'B' (0x42 = 0100 0010b)，1的个数为2（偶数）

• 奇校验：校验位应为1（使总1的个数为奇数）

• 发送顺序：0 1 0 0 0 0 1 0 1

3 时序特性

3.1 位时间计算

3.2  完整帧时间

4 使用IO模拟UART

代码示例如下：

// 简化版UART发送模拟
void uart_send_byte(uint8_t data) {
// 发送起始位（低电平）
TX_PIN = 0;
delay_bit_time();

// 发送8个数据位（LSB先发）
for(int i = 0; i < 8; i++) {
TX_PIN = (data >> i) & 0x01;
delay_bit_time();
}

// 发送停止位（高电平）
TX_PIN = 1;
delay_bit_time();
}

5 实际波形案例分析

1） 9600波特率传输"Hello"

2） 115200波特率带奇校验

6 UART通信参数配置

6.1 关键参数详解

// 典型UART配置结构
typedef struct {
uint32_t baud_rate; // 波特率：9600, 19200, 38400, 57600, 115200等
uint8_t data_bits; // 数据位：5, 6, 7, 8, 9
uint8_t stop_bits; // 停止位：1, 1.5, 2
char parity; // 校验：N(无), O(奇), E(偶)
bool flow_control; // 流控：RTS/CTS
} uart_config_t;

6.2 常用波特率表

7 UART编程模型

7.1 轮询方式

// 简单但效率低，适用于低速通信
void uart_send_polling(uint8_t data) {
while(!(UART->SR & UART_SR_TXE)); // 等待发送缓冲区空
UART->DR = data;
}

uint8_t uart_receive_polling(void) {
while(!(UART->SR & UART_SR_RXNE)); // 等待接收数据
return UART->DR;
}

7.2 中断方式

// 提高效率，避免CPU空等
volatile uint8_t rx_buffer[256];
volatile uint8_t rx_index = 0;

void USART1_IRQHandler(void) {
if(USART1->SR & USART_SR_RXNE) {
// 接收数据
uint8_t data = USART1->DR;
rx_buffer[rx_index++] = data;

// 处理数据（如放入环形缓冲区）
}

if(USART1->SR & USART_SR_TXE) {
// 发送缓冲区空，可发送下一字节
if(tx_buffer_not_empty()) {
USART1->DR = get_next_tx_byte();
} else {
USART1->CR1 &= ~USART_CR1_TXEIE; // 禁用发送中断
}
}
}

7.3 DMA方式

// 最高效率，适合大数据量传输
void uart_dma_send(uint8_t *data, uint32_t len)
{
// 配置DMA源地址（内存）
DMA1_Channel4->CMAR = (uint32_t)data;
// 配置DMA目标地址（UART数据寄存器）
DMA1_Channel4->CPAR = (uint32_t)&USART1->DR;
// 设置传输长度
DMA1_Channel4->CNDTR = len;
// 启动DMA传输
DMA1_Channel4->CCR |= DMA_CCR_EN;
// 使能UART的DMA发送
USART1->CR3 |= USART_CR3_DMAT;
}

8 UART变种与相关协议

1） USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）

• 支持同步和异步模式

• 同步模式下有时钟线（如SPI）

• 常见于STM32等高级MCU

2）  LIN（Local Interconnect Network）

• 基于UART的汽车网络协议

• 单线通信，成本低

• 主从结构，用于车身控制

3）  IrDA（红外数据通信）

• 使用UART协议，红外介质

• 需要编解码芯片

• 短距离无线通信

4） Modbus RTU

• 基于串口的工业协议

• 使用UART作为物理层

• 主从问答式通信