UART 串口详解：概念、工作原理及 RS-232 对比

1. 引言

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种用于串行通信的硬件模块，广泛应用于计算机、嵌入式系统、工业控制和物联网设备中。UART 串口能够以异步方式在两台设备之间传输数据，不需要共享时钟信号，只需发送端和接收端使用相同的波特率进行通信。

很多人会把 UART 与 RS-232 混为一谈，实际上它们并不完全相同。UART 仅仅是一种串行通信的技术实现，而 RS-232 是一种物理层协议，它可以使用 UART 作为其底层通信方式。因此，了解 UART 和 RS-232 的区别对于深入理解串行通信至关重要。本文将详细介绍 UART 的基本概念、工作原理、数据帧结构、常见参数及其与 RS-232 的区别。

2. UART 串口的基本概念

UART 是一种异步串行通信协议，它的核心功能是将并行数据转换为串行数据发送，并在接收端将串行数据转换回并行数据。UART 通信时，每次发送一个字节（8 位），通过 TX（发送）和 RX（接收）两根信号线进行数据传输，不需要额外的时钟信号线，因此属于异步通信方式。

UART 通常用于短距离低速通信，例如单片机与传感器之间的通信、计算机与外设之间的通信等。由于其简单易用，UART 被广泛应用于嵌入式系统和工业自动化领域。

3. UART 的工作原理

UART 的核心功能是收发数据，其基本工作流程如下：

1. 数据加载：发送端（TX）从系统数据总线接收一个字节的数据，并将其存入 UART 发送缓冲区。

2. 串行转换：UART 发送端将并行数据转换为串行格式，并添加起始位、数据位、校验位（可选）和停止位。

3. 数据传输：UART 发送端通过 TX 线路发送数据，接收端（RX）监听 TX 线路，并接收数据流。

4. 数据解析：接收端 UART 移除起始位、停止位，并进行校验（如启用了校验位）。

5. 数据输出：接收端 UART 将数据转换回并行格式，并存入 UART 接收缓冲区，供 CPU 或 MCU 读取。

UART 是全双工通信模式，即 TX 和 RX 可以同时进行数据收发，因此能支持双向通信。

4. UART 数据帧结构

UART 传输的数据通常以帧（Frame）为单位，每一帧的结构如下：

• 起始位（Start Bit）：1 位，始终为低电平（0），用于通知接收端开始传输数据。

• 数据位（Data Bits）：通常为 5~8 位，表示实际传输的数据。

• 校验位（Parity Bit）（可选）：用于检测数据是否出错，可以选择偶校验、奇校验或无校验。

• 停止位（Stop Bit）：1~2 位，始终为高电平（1），用于指示数据传输结束。

例如，一个常见的 UART 配置是 8N1，表示 8 位数据位、无校验位（N）、1 位停止位（1）。

5. UART 的关键参数

UART 通信的性能受多个参数影响，常见的关键参数如下：

1. 波特率（Baud Rate）：表示每秒传输的比特数，例如 9600、115200 bps。发送端和接收端必须使用相同的波特率，否则通信无法正常进行。

2. 数据位（Data Bits）：常见的设置包括 5、6、7 或 8 位，通常使用 8 位数据位。

3. 停止位（Stop Bits）：可以是 1 或 2 位，增加停止位可以提高接收端同步的可靠性。

4. 校验位（Parity Bit）：可选的错误检测机制，包括无校验（None）、偶校验（Even）和奇校验（Odd）。

5. 流控（Flow Control）：用于控制数据流的机制，包括硬件流控（RTS/CTS）和软件流控（XON/XOFF）。

6. UART 串口与 RS-232 的区别

尽管 UART 和 RS-232 常常一起出现，但它们是不同的概念：

从表格可以看出，UART 是一种通信方式，而 RS-232 是一种标准的物理层协议。由于 UART 通常使用 TTL 电平（如 3.3V 或 5V），而 RS-232 使用更高的正负电压，因此如果要让 MCU 直接与 RS-232 设备通信，通常需要使用 MAX232 之类的电平转换芯片。

7. UART 的应用场景

由于 UART 具有结构简单、成本低、易于实现的特点，它在多个领域广泛应用，包括：

1. 单片机与外设通信：如 MCU 与 GPS、GSM 模块、蓝牙模块等通信。

2. 计算机串口通信：PC 通过 USB 转串口（如 CP2102、CH340G）与嵌入式设备进行调试。

3. 工业控制：如 PLC、工业传感器的数据采集和控制。

4. 物联网设备：如 Wi-Fi 模块（ESP8266、ESP32）和 ZigBee 模块（CC2530）之间的通信。

5. 机器人系统：机器人控制器与各种传感器、执行机构之间的通信。

8. UART 的优缺点

UART 作为一种常见的串行通信协议，具有以下优点和缺点：

优点：

• 硬件结构简单，只需 TX、RX 两根线即可实现通信。

• 不需要时钟同步，减少了硬件复杂性。

• 传输距离可达数十米（适当降低波特率可进一步延长）。

• 广泛兼容，支持各种微控制器和外设设备。

缺点：

• 传输速率受限，一般最高 1Mbps，无法与 SPI、I²C 等高速总线相比。

• 仅支持点对点通信，不支持多设备总线连接。

• 无内置纠错机制，数据可靠性不如 CAN、USB 等协议。

9. 结论

UART 串口是一种广泛使用的异步串行通信协议，常用于嵌入式系统、计算机通信和工业控制领域。它通过 TX 和 RX 两条信号线完成数据收发，并具有简单、低成本的优点。尽管 UART 可以作为 RS-232 的底层通信方式，但两者在电平标准和应用场景上有所不同，需要通过电平转换芯片才能兼容。

在现代电子系统中，UART 仍然是最常见的串行通信方式之一，尤其在嵌入式设备调试、物联网通信和工业控制等领域具有广泛的应用。