【硬件接口】UART接口

news2024/12/23 18:03:44

本文章是笔者整理的备忘笔记。希望在帮助自己温习避免遗忘的同时，也能帮助其他需要参考的朋友。如有谬误，欢迎大家进行指正。

一、UART接口概要

UART接口，即通用异步接收器/发送器，是一种常用的串行通信协议，广泛应用于单片机或各种嵌入式设备之间的通信。在串行通信中，数据通过单条线路或导线逐位传输。在双向通信中，我们使用两根导线来进行连续的串行数据传输。根据应用和系统要求，串行通信需要的电路和导线较少，可降低实现成本。

二、UART电气特性

UART的电气特性主要涉及不同的电气标准，这些标准定义了串口通信中信号的电平、电压范围等关键参数，以下是几种UART常见的电气特性的差异对比表：

对比项	TTL	RS232	RS422	RS485
信号类型	电平信号	负逻辑电平信号	差分信号	差分信号
电平范围	0-3.3V/5.0V	±15V	-0.25V-+6V	-7V-+12V
抗干扰能力	弱	较强	强	强
传输距离	<1m	<15m	<1200m	<1200m
传输带宽	<100Kb/s	<100Kb/s	<10Mb/s	<10Mb/s
负载个数	1	1	10	32
传输模式	全双工，点对点	全双工，点对点	全双工，点对点	半双工，多对多
最少走线根数	3	3	4	2

三、波特率

波特率是衡量数据的传输速度，单位为bps（bits per second），即每秒传输的比特位。UART通信中，发送端和接收端必须在同样的波特率下工作，以确保数据能够准确传输。波特率的不同会导致位的时序不一致，从而引发数据传输错误，波特率误差偏大同样也会导致通讯失败，在工程实践中通常建议双方允许的最大波特率偏差为5%，在高精度要求的应用场合下建议将误差控制在2%以内。

在实际应用中，通常是通过已知的波特率进行计算分频因子并导入UART配置文件，微控制器的datasheet或参考手册通常会提供具体的计算公式和示例。下面以STM32为例：

（1）确认系统时钟频率（PCLK）

对于STM32，USART1的时钟源来自于APB2（PCLK2），其他USART（USART2-5）来源于APB1（PCLK1）。通常PCLK1最大的频率为36MHz，PCLK2的最大频率是72MHz。具体取决于系统时钟的配置。

（2）根据datasheet提取计算公式

STM32的波特率计算公式：波特率=fck/（16×USARTDIV），其中，fck是系统时钟频率（PCLK1或PCLK2），USARTDIV是波特率分频因子，16是因为STM32的串口硬件设计中，每传输1bit数据，会采样16次，以确保数据的准确性。通过这种方式STM32能够减少由于信号干扰或抖动导致的错误，提高串口通讯的可靠性。

（3）计算USARTDIV

根据目标波特率和时钟系统的频率，可以计算出USARTDIV的值：USARTDIV=fck/（16×目标波特率）

（4）分数波特率的产生和设置USART_BRR寄存器

USARTDIV是一个无符号定点数，STM32的USART_BRR寄存器支持分数设置以提高精确度。USART_BRR的前4位用于表示小数部分，后12位用于表示整数部分。计算出的USARTDIV值需要被拆分为整数部分和小数部分，分别填入USART_BRR寄存器。整数部分放在高12位，小数部分放在低4位。

（5）示例计算：

假设系统时钟是fck=72MHz，目标波特率为115200bps，计算USARTDIV的值：

USARTDIV=72000000/（16×115200）=39.0625

其中，将39.0625拆分为整数部分39和小数部分0.0625，进行进制转换，USART_BRR寄存器的值为0x2701。

（6）误差计算

实际波特率可能与目标波特率存在误差，误差率可以通过以下公式计算：