2019年08月30日 | S5PV210开发 -- UART 详解

上一篇文章系统的讲了一下通信的分类，包括并行通信，串行通信。串行通信的分类，包括同步通信，异步通信。

这篇文章我们主要讲一下 UART

串口编程，我们并不陌生。之前讲过RS485通信，参看：UNIX再学习 -- RS485 串口编程

再者，参看：日常生活小技巧 -- UART 回环测试

一、基本概念

参看：UART -- 维基百科

UART 是 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器（异步串行通信口）的英文缩写，它包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范，即UART是异步串行通信口的总称。 而RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等，是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。实际上是属于通信网络中的物理层（Physical Layer）的概念，与通信协议没有直接关系。而通信协议，是属于通信网络中的资料链接层（Data Link Layer）的概念。 COM是PC（个人计算机）上，异步串行通信口的简写。由于历史原因，IBM的PC外部接口配置为RS232，成为实际上的PC界默认标准。所以，现在PC机的COM均为RS232。若配有多个异步串行通信口，则分别称为COM1、COM2... 。

二、UART数据传输格式

在讲之前先感慨两句，UART这部分的总结，真真的网上看了好多的资料。但都讲的很零碎，没有个所以然。看的我很纠结，不知道从何讲起。

还好我们之前有讲过串口编程，并非对 UART一无所知。那就从 TTL 和 RS232 电平说起。

（1）TTL 和 RS232 电平

RS232 电平

逻辑1：-3V~-15V

逻辑0：+3V~+15V

TTL 电平

逻辑1：+2V~+5V

逻辑0：+0V~+0.8V

TTL 电平和 RS232 电平我会再开一篇详细来讲。这里就是要了解一下SP3232 芯片。

我们查看原理图，串口电路部分：

你能区分 SP3232 芯片引脚哪边是TTL电平，哪边是 RS232 电平吗？（傻纸问题，哈哈）

我们介绍UART基本概念的时候，也提到了现在PC机的COM均为RS232，但是单片机的电平是TTL电平。

所以要用一个电平转化芯片 SP3232，然后使得单片机和PC通过串口进行通信。

上图标的很清楚啦，PC_TXD0、PC_RXD0 在PC端，为RS232电平。

（2）数据传输格式

空闲位： 从一个字符的停止位结束到下一个字符的起始位开始，表示线路处于空闲状态，为逻辑 1。

起始位：必须是持续1bit时间的逻辑 0 电平，标志着传输一个字符的开始，接收方可用起始位使自己的接收时钟与发送方的数据同步。

数据位：紧跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。数据位的位数可以由通信双方共同约定，一般可以是5位、6位、7位或8位，标准的ASCII码是0~127（7位），扩展的ASCII码是0~255（8位）。传输数据时先传送字符的低位，后传送字符的高位。

    这里有几个知识点需要知道：

    ASCII 码，参看：C语言再学习 -- ASCII码表（转）

    MSB 和 LSB，参看：C语言再学习-- 大端小端详解（转）

    思考：

    传输数据时先传送字符的低位，后传送字符的高位。

    因为通常我们的PC是小端的，如果没有另外说明，通常可以假定数据首先传输最低有效位（LSB）。

    在标准ASCII码中 127 转化成二进制为 0111 1111，即最有效高位一直为 0。只需传输 7 位即可

    在扩展ASCII码中 255 转化成二进制为 1111 1111，需要传输 8 位。

校验位：奇偶校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶校验，奇偶检验位不是必须有的。如果是奇校验，需要保证传输的数据总共有奇数个逻辑高位；如果是偶校验，需要保证传输的数据总共有偶数个逻辑高位。

    这里有几个知识点需要知道：

    校验位可分为NONE（无校验位）、ODD（奇校验）、EVEN（偶校验），一般多为无校验位。

    奇偶校验，参看：奇偶校验 -- 百度百科   

    奇偶校验位是一个表示给定位数的二进制数中 1 的个数是奇数还是偶数的二进制数。奇偶校验位是最简单的错误检 测码。奇偶校验位有两种类型：偶校验位与奇校验位。如果一组给定数据位中 1 的个数是奇数，那么偶校验位就置为 1，从而使得总的 1 的个数是偶数；如果给定一组数据位中 1 的个数是偶数，那么奇校验位就置为 1，使得总的1 的个数保持奇数不变。

    举个栗子：假设传输的数据位为 01001100，如果是奇校验，则奇校验位为0（要确保总共有奇数个1），如果是 偶校验，则偶校验位为1（要确保总共有偶数个1）

    如果是采用奇校验，在传送每一个字节的时候另外附加一位作为校验位，校验位在数据位后面，当实际数据中“1”的个数为偶数的时候，这个校验位就是“1”，否则这个校验位就是“0”，这样就可以保证传送数据满足奇校验的要求。在接收方收到数据时，将按照奇校验的要求检测数据中“1”的个数，如果是奇数，表示传送正确，否则表示传送错误。

    如果传输过程中包括校验位在内的奇数个数据位发生改变，那么奇偶校验位将出错表示传输过程有错误发生。因此，奇偶校验位是一种错误检测码，但是由于没有办法确定哪一位出错，所以它不能进行错误校正。发生错误时必须扔掉全部的数据，然后从头开始传输数据。在噪声很多的媒介上成功传输数据可能要花费很长的时间，甚至根本无法实现。但是奇偶校验位也有它的优点，它是使用一位数据能够达到的最好的校验码，并且它仅仅需要一些异或门就能够生成。奇偶校验被广泛应用。

停止位：可以是是1bit、1.5bit或2bit，可以由软件设定。它一定是逻辑 1 电平，标志着传输一个字符的结束。

    由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供 计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

（3）举例说明TTL电平和RS232电平数据传输格式的不同

上面我们提到了 TTL 电平和 RS232 电平的逻辑电平是不同的，那么接下来我们举个栗子。

例如，对于16进制数据55aaH，当采用8位数据位、1位停止位传输时，无校验位。（先传第一个字节55，再传第二个字节aa，每个字节都是从低位向高位逐位传输）。我们来看它在一下 TTL 电平和 RS232 电平的信号线上的波形。

《1》TTL电平的串行数据帧格式

对于正逻辑的 TTL 电平，起始位是逻辑 0 为低电平；停止位和空闲位是逻辑 1 为高电平。

《2》RS-232电平的串行数据帧格式

对于正逻辑的 RS232 电平，起始位是逻辑 0 为高电平；停止位和空闲位是逻辑 1 为低电平。

上面提到 UART 包括了RS232、RS449、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。

我们最常见的是 RS232、RS485、RS422 这三个。下面我们一一的来详细讲解一下。

三、RS232

（1）接口标准

RS-232是美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，原始编号全称是EIA-RS-232（简称232，RS232）。它被广泛用于计算机串行接口外设连接。

RS-232-C接口(又称EIARS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。(“RS-232-C”中的“-C”只不过表示RS-232的版本，所以与“RS-232”简称是一样的)。

RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。

（2）常见连接器

常见的有 DB9 和 DB25，并且连接器分公/母头。

《1》DB9

首先它相关器件有很多。这里只是介绍最常见的。

DB9针串口鱼叉式公头母头：

DB9针串口焊板式公座母座：

串口线延长母对母/公对母/公对公：

讲到串口线，它有交叉线与直通线之分：

参看：串口线-交叉线与直通线之分

1：串口交叉线

串口线两头都一样都相同。都是公对公或者母对母串口线，这种线必须是交叉线。一端的第二针与另一端的第三针是通路的，说明此线是交叉线。

以下是判断方法：

2：串口直通线

如果用户串口设备与串口服务器连接使用公对母串口线，那必须使用公对母直通线。

一端公头的2对应，另一端母头的2，一端母头的3对应另一端公头的3.

DB9针串口焊板式PCB元件封装：

最后示例分析串口直通和交叉之分：

以联想台式机为例，通常PC上的串口为公头的：

或者笔记本电脑，通常用的 USB转串口线，也是公头的：

1：串口交叉线

2：串口直通线

引脚定义：

公头：

母头：

Pin2 TXD

Pin3 RXD

Pin5 GND

《2》DB25

（3）RS232收发器

这类芯片也有不少，我们就讲上面提到的 SP3232，查看相关手册和原理图。

《1》特性

满足EIA/TIA-232-F标准，工作电压为+3.0V到+5.5V

满载最小数据速率：120Kbps

1uA的低功耗关断模式，接收器（SP3222E）有效

可与RS-232共同使用，电源低至+2.7V 

增强型ESD规范：  

±15kV人体放电模式 

±15kV IEC1000-4-2气隙放电 

±8kV IEC1000-4-2接触放电

《2》封装

《3》引脚说明

《4》相关电路图

四、RS485

（1）接口标准

电子工业协会（EIA）于1983 年制订并发布RS-485 标准，并经通讯工业协会（TIA）修订后命名为TIA/EIA-485-A，习惯地称之为RS-485 标准。

它是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。

RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12kΩ、RS-422是4kΩ；由于RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以在RS-422网络中应用。

RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。[2] 

RS-485 标准是为弥补RS-232 通信距离短、速率低等缺点而产生的。RS-485 标准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议。

RS-485 标准与RS-232 不一样，数据信号采用差分传输方式（Differential Driver Mode），作用是可以抑制共模干扰。

（2）485转232接口

上面提到了，标准没有规定接插件，所以一般都是引出四根线：VCC，GND，TXD，RXD

常用的还有 485转232转换器

（3）RS485收发器

这里主要讲一下 SP3485

《1》特性

RS-485和RS-422收发器 

工作电压为+3.3V  

可与+0.5V的逻辑电路共同工作 

驱动器/接收器使能 z 

低功耗关断模式（SP3481） 

-7V～+12V的共模输入电压范围 

允许在同一串行总线上连接32个收发器 

与工业标准75176管脚配置兼容 

驱动器输出短路保护

《2》电路图和引脚

引脚说明：

Pin1－RO－接收器输出。

Pin2－RE－接收器输出使能（低电平有效）。

Pin3－DE－驱动器输出使能（高电平有效）。

Pin4－DI－驱动器输入。

Pin5－GND－连接地。

Pin6－A－驱动器输出/接收器输入（同相）。

Pin7－B－驱动器输出/接收器输入（反相）。

Pin8－Vcc

注意：将AB间120欧姆去掉，如果采用阻抗匹配的电缆，300米以内几乎可以不用加终端电阻。加终端电阻的缺点就是增大了线路的无用功耗，尤其是电池系统供电时，降低了电池的续航能力。我一开始没有将它去掉，导致只能发送数据，无法接收数据。

五、RS422

我用的并不多，所以只是简单简绍一下：

标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上

还有一根信号地线，共5根线。其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。

RS-422的最大传输距离为1219米，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。

六、三者比较

参看：串行通信的基础知识- RS-232C / RS-422 / RS-485 -

七、需要了解的小知识点

双绞线，参看：双绞线 -- 百度百科

差分布线，参看：Altium Designer -- 差分布线原则

如何差分布线，参看：Altium Designer -- 精心总结

八、总结

扩展阅读：

Serial Communication

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART)

The USART of the AVR

Serial and UART Tutorial