UART 通信协议

1. 概述

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种全双工、串行、异步的通信协议。

UART 信号线说明：

• VCC：电源正极
• GND：接地
• TXD：发送数据信号线
• RXD：接收数据信号线

通信协议：UART、I2C、SPI、CAN等

典型应用：GPS 传感器（经度、纬度），如 ATGM336H-5N 型号，通过 UART 与 51 单片机进行数据通信。

2. 通信方式

根据数据传输方向，通信方式可分为以下三种：

（1）单工通信

• 数据的发送方和接收方是固定的
• 数据的传输通过一根信号线完成
• 数据的传输方向是固定的，只能从发送方到接收方

（2）半双工通信（I2C：VCC、GND、SDA、SCL）

• 通信双方既可以作为数据的发送方，也可以作为数据的接收方
• 数据传输通过一根信号线完成
• 数据传输方向可以是双向的，但同一时刻数据传输方向呈现单一性

（3）全双工通信（UART）

• 通信双方既可以作为数据的发送方，也可以作为数据的接收方
• 数据传输通过两根信号线完成
• 数据传输方向在任意时刻可以是双向的

3. 串口传输数据顺序

串口通信遵循 LSB 先行 原则，即先发送数据的低位，再发送高位。

例如字符 'A' 的 ASCII 码为 0x41，二进制为 0100 0001，发送时先发送最低位 1，最后发送最高位 0。

4. 串行传输与并行传输的区别

（1）串行传输

通过一根信号线传输数据，按照先后次序逐个 bit 发送

特点：

• 传输速率慢（只有一根线逐个 bit 传输数据）
• 硬件成本低，实现简单
• 传输距离远，抗干扰性强（信号线少，干扰小，不存在多根线之间的信号偏移，如 RS485 差分信号）

（2）并行传输

通过多根信号线同时传输多个 bit 数据

特点：

• 传输速率快（通过多根线同时发送多个 bit 数据）
• 硬件成本高，实现复杂
• 传输距离近，抗干扰性差（30 米距离内，存在信号偏移、电磁波干扰、误差）

5. 串口通信时序

6. 同步通信与异步通信

时钟线：约定双方的通信频率。

• 同步通信：通信双方有一根共享的时钟信号线来约定通信的频率
• 异步通信：通信双方没有时钟线进行通信频率约定

波特率：bits per second（bps），即每秒传输的 bit 数量。常见波特率有 2400bps、4800bps、9600bps、115200bps。

7. 串口通信参数配置

串口通信参数格式为：波特率、数据位、校验位、停止位。

校验规则

• 奇校验：校验位为 '1'，若数据位中 '1' 的个数加上校验位的 '1'，保持 '1' 的总个数为奇数个，则代表奇校验通过
• 偶校验：校验位为 '0'，若数据位中 '1' 的个数加上校验位的 '0'，保持 '1' 的总个数为偶数个，则代表偶校验通过

例如字符 'A'（0100 0001）使用奇校验时，校验位为 1，即 0100 0001 1。校验机制无法检测偶数个 bit 出错的问题。

8. 电气特性与电平标准

TTL 电平

• 1（高电平）：5V
• 0（低电平）：0V

RS232 电平（负逻辑）

• 1（高电平）：-3V 至 -15V
• 0（低电平）：3V 至 15V

RS485 电平（差分）

• 1（高电平）：2V 至 6V
• 0（低电平）：-2V 至 -6V

CH340 芯片：电平转换芯片，用于实现 TTL 电平与 USB 电平之间的转换。

9. 51 单片机串口编程

（1）串口数据缓冲

• SBUF：串口数据缓冲寄存器，分为发送缓冲区和接收缓冲区
• 发送数据：SBUF = 'a';
• 接收数据：从 SBUF 读取接收到的数据

（2）串口初始化配置

51 单片机通过定时器（Timer0/Timer1）作为波特率产生器，配置串口工作方式为 8 位 UART、波特率可变。

• SCON 寄存器：bit6 和 bit7 清 0，bit6 置 1，配置串口工作方式；bit4 置 1，允许串口接收数据
• PCON 寄存器：bit6 清零（SMOD0），可通过 SCON 寄存器中的 bit6 和 bit7 指定串口工作方式；bit7 置 1，波特率翻倍

（3）定时器 1 配置（8 位自动重装载模式）

• TMOD 寄存器：高 4 位清 0，bit5 置 1，配置定时器 1 为 8 位自动重装载模式
• 初值计算：12MHz 晶振初值为 230；11.0592MHz 晶振、2400bps 时初值为 232（按公式计算）
• TCON 寄存器：bit6 置 1，打开定时器 1，开启计数

（4）中断配置

• IE 寄存器：bit7 和 bit4 置 1，开启串口中断和 CPU 总中断

（5）发送与接收方式

• 发送：采用轮询方式，通过 putchar() 或 puts() 逐字符发送
• 接收：采用中断方式，接收数据后进入中断服务函数处理

（6）存储类型

• data：将变量的存储位置放到芯片内部 RAM（256 字节）
• xdata：将变量的存储位置放到芯片外部扩展 RAM（64KB）

10. 主从应答机制

• 主机：永远是发起通信的一方，拥有对通信的绝对控制
• 从机：无法发起通信，只能根据主机下发的指令完成对应的控制
• 应答：从机完成对应功能后，需要给主机一个回复

11. 串口任务与 Modbus 协议

串口任务：主机（Windows）向从机发送 Modbus 协议格式指令，从机解析指令，根据指令完成对应功能，并向主机回复应答。

Modbus 协议位于 TCP/IP 应用层，使用 CRC 校验。

Modbus 报文格式

功能码定义（示例）

• 0x01：控制 LED 灯
• 0x02：数码管显示
• 0x03：蜂鸣器控制
• 0x04：温度采集

从机处理流程

数据流向位

• 主机到从机：功能码 0x01（0000 0001），数据流向位为 0
• 从机到主机：功能码 0x81（1000 0001），数据流向位为 1

数据流向位含义：0 表示数据从主机到从机，1 表示数据从从机到主机。