UART应用笔记
目录
- 简介
- 数据传输
- 起始位
- 数据帧
- 奇偶校验
- 停止位
- UART传输步骤
- 帧协议
- CRC校验原理
- 介绍
- 原理
- 应用
- 参考文献
简介
根据定义，UART是一种硬件通信协议，以可配置的速度使用异步串行通信。异步意味着没有时钟信号来同步从发送设备进入接收端的输出位。
每个UART设备的两个信号分别命名为：
发送器(Tx)
接收器(Rx)
每个设备的发送器和接收器线的主要作用是用于串行通信的串行数据的发送和接收。
发送UART连接到以并行形式发送数据的控制数据总线。然后，数据将在传输线路（导线）上一位一位地串行传输到接收UART。反过来，对于接收设备，串行数据会被转换为并行数据。
UART线用作发送和接收数据的通信介质。请注意，UART设备具有专门用于发送或接收的发送和接收引脚。
对于UART和大多数串行通信，发送和接收设备需要将波特率设置为相同的值。波特率是指信息传输到信道的速率。对于串行端口，设定的波特率将用作每秒传输的最大位数。
| 速度 | 9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600,1000000，1500000 |
| 传输方式 | 异步 |
| 最大主机数 | 1 |
| 最大从机数 | 1 |
UART接口不使用时钟信号来同步发送器和接收器设备，而是以异步方式传输数据。发送器根据其时钟信号生成的位流取代了时钟信号，接收器使用其内部时钟信号对输入数据进行采样。同步点是通过两个设备的相同波特率来管理的。如果波特率不同，发送和接收数据的时序可能会受影响，导致数据处理过程出现不一致。允许的波特率差异最大值为10%，超过此值，位的时序就会脱节。
数据传输
在UART中，传输模式为数据包形式。连接发送器和接收器的机制包括串行数据包的创建和物理硬件线路的控制。数据包由起始位、数据帧、奇偶校验位和停止位组成。
起始位
当不传输数据时，UART数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送UART会将传输线从高电平拉到低电平并保持1个时钟周期。当接收UART检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。
数据帧
数据帧包含所传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是5位到8位。如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是9位。在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。
奇偶校验
奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位，接收UART判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。
接收UART读取数据帧后，将计数值为1的位，检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为0（偶数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为1（奇数奇偶校验），则数据帧中的1或逻辑高位总计应为奇数。
当奇偶校验位与数据匹配时，UART认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为0，而总和为奇数，或者奇偶校验位为1，而总和为偶数，则UART认为数据帧中的位已改变。
停止位
为了表示数据包结束，发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持1到2位时间。
UART传输步骤
第一步：发送UART从数据总线并行接收数据。
第二步：发送UART将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据帧。
第三步：从起始位到结束位，整个数据包以串行方式从发送UART送至接收UART。接收UART以预配置的波特率对数据线进行采样。
第四步：接收UART丢弃数据帧中的起始位、奇偶校验位和停止位。
第五步：接收UART将串行数据转换回并行数据，并将其传输到接收端的数据总线。
帧协议
UART的一个关键特性是帧协议的实现，但还没有被充分使用。其主要用途和重要性是为每台设备提供安全和保护方面的增值。
例如，当两个设备使用相同的UART帧协议时，有可能在没有检查配置的情况下连接到同一个UART，设备会连接到不同的引脚，这可能导致系统故障。
另一方面，实现帧协议可确保安全性，因为需要根据设计帧协议解析接收到的信息。每个帧协议都经过专门设计，以确保唯一性和安全性。
在设计帧协议时，设计人员可以给不同设备设置期望的报头和报尾（包括CRC）。在下图中，2个字节被设置为报头的一部分。
根据示例，您可以给您的设备设置独有的报头、报尾和CRC。
报头1（H1为0xAB）和报头2（H2为0xCD）
报头是确定您是否在与正确的设备通信的唯一标识符。
命令(CMD)选择
命令将取决于用于创建两个设备之间通信的命令列表。
每个命令的数据长度(DL)
数据长度将取决于所选的命令。您可以根据所选的命令来使数据长度最大化，因此它会随选择而变化。在这种情况下，数据长度可以调整。
数据n（可变数据）
数据是要从设备传输的有效载荷。
报尾1（T1为0xE1）和报尾2（T2为0xE2）
报尾是在传输结束后添加的数据。就像报头一样，报尾也可以唯一标识符。
循环冗余校验（CRC公式）
循环冗余校验公式是一种附加的错误检测模式，用于检测原始数据是否发生意外更改。发送设备的CRC值必须始终等于接收器端的CRC计算值。
建议为每个UART设备实现帧协议来增加安全性。帧协议要求发送和接收设备使用相同的配置。
CRC校验原理
介绍
CRC即循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check[1] ）：是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查（CRC）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。
原理
其根本思想就是先在要发送的帧后面附加一个数（这个就是用来校验的校验码，但要注意，这里的数也是二进制序列的，下同），生成一个新帧发送给接收端。当然，这个附加的数不是随意的，它要使所生成的新帧能与发送端和接收端共同选定的某个特定数整除（注意，这里不是直接采用二进制除法，而是采用一种称之为“模2除法”）。到达接收端后，再把接收到的新帧除以（同样采用“模2除法”）这个选定的除数。因为在发送端发送数据帧之前就已通过附加一个数，做了“去余”处理（也就已经能整除了），所以结果应该是没有余数。如果有余数，则表明该帧在传输过程中出现了差错。
“模2除法”与“算术除法”类似，但它既不向上位借位，也不比较除数和被除数的相同位数值的大小，只要以相同位数进行相除即可。
模2加法运算为：1+1=0，0+1=1，0+0=0，无进位，也无借位；
模2减法运算为：1-1=0，0-1=1，1-0=1，0-0=0，也无进位，无借位。
相当于二进制中的逻辑异或运算。也就是比较后，两者对应位相同则结果为“0”，不同则结果为“1”。
如100101除以1110，结果得到商为11，余数为1
具体实现步骤：
（1）先选择（可以随机选择，也可按标准选择，具体在后面介绍）一个用于在接收端进行校验时，对接收的帧进行除法运算的除数（是二进制比较特串，通常是以多项方式表示，所以CRC又称多项式编码方法，这个多项式也称之为“生成多项式”）。
（2）看所选定的除数二进制位数（假设为k位），然后在要发送的数据帧（假设为m位）后面加上k-1位“0”，然后以这个加了k-1个“0“的新帧（一共是m+k-1位）以“模2除法”方式除以上面这个除数，所得到的余数（也是二进制的比特串）就是该帧的CRC校验码，也称之为FCS（帧校验序列）。但要注意的是，余数R的位数一定要是比除数位数只能少一位，哪怕前面位是0，甚至是全为0（附带好整除时）也都不能省略。
（3）再把这个校验码附加在原数据帧（就是m位的帧，注意不是在后面形成的m+k-1位的帧）后面，构建一个新帧发送到接收端；最后在接收端再把这个新帧以“模2除法”方式除以前面选择的除数，如果没有余数R，则表明该帧在传输过程中没出错，否则出现了差错。
从上面可以看出，CRC校验中有两个关键点：
一是要预先确定一个发送端和接收端都用来作为除数的二进制比特串（或多项式）；
二是把原始帧与上面选定的除进行二进
制除法运算，计算出FCS。
前者可以随机选择，也可按国际上通行的标准选择，但最高位和最低位必须均为“1”，如在IBM的SDLC（同步数据链路控制）规程中使用的CRC-16（也就是这个除数一共是17位）生成多项式g（x）= x16 + x15 + x2 +1（对应二进制比特串为：11000000000000101）；而在ISO HDLC（高级数据链路控制）规程、ITU的SDLC、X.25、V.34、V.41、V.42等中使用CCITT-16生成多项式g（x）= x16 + x15 + x5 +1（对应二进制比特串为：11000000000100001）。
总之，在接收端对收到的每一帧经过CRC检验后，有以下两种情况：
1.若得出的余数R=0，则判定这个帧没差错，就接受。
2.若余数R!=0，则判定这个帧有差错（但无法确定究竟是哪一位或哪几位 ），则丢弃。
应用
下面以一个例子来具体说明整个过程。现假设选择的CRC生成多项式为G（X） = X4 + X3 + 1，要求出二进制序列10110011的CRC校验码。下面是具体的计算过程：
（1）首先把生成多项式转换成二进制数，由G（X） = X4 + X3 + 1可以知道（它一共是5位（总位数等于最高位的幂次加1，即4+1=5），然后根据多项式各项的含义（多项式只列出二进制值为1的位，也就是这个二进制的第4位、第3位、第0位的二进制均为1，其它位均为0）很快就可得到它的二进制比特串为11001。
（2）因为生成多项式的位数为5，根据前面的介绍，得知CRC校验码的位数为4（校验码的位数比生成多项式的位数少1）。因为原数据帧10110011，在它后面再加4个0，得到101100110000，然后把这个数以“模2除法”方式除以生成多项式，得到的余数（即CRC码）为0100，如图5-10所示。注意参考前面介绍的“模2除法”运算法则。
（3）把上步计算得到的CRC校验0100替换原始帧101100110000后面的四个“0”，得到新帧101100110100。再把这个新帧发送到接收端。
（4）当以上新帧到达接收端后，接收端会把这个新帧再用上面选定的除数11001以“模2除法”方式去除，验证余数是否为0，如果为0，则证明该帧数据在传输过程中没有出现差错，否则出现了差错。
参考文献
总结
