通讯协议学习(UART)

UART通讯协议（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

通用异步接受/发送器—UART，是一种串行，异步，全双工通信协议。

串行（Serial）

定义: 数据以一位接一位的形式，在单条通道中按顺序传输。

特点:

数据从起点到终点逐位传输，而不是同时传输多位。只需要一条通信线或数据通道（外加控制线）。

异步（Asynchronous）

定义: 数据传输中，发送方和接收方的时钟无需同步。

异步通信以一个字符为传输单位。通信中两个字符之间的时间间隔不固定，但同一字符中两个相邻位之间的时间间隔是固定的。一般来说，两个UART设备之间的通信不需要时钟线。此时，需要在两个UART设备上指定相同的传输速率，以及空闲位、起始位、奇偶校验位和结束位，即遵循相同的协议。

特点:

起始位和停止位：每组数据通常用起始位和停止位标志数据包的开始与结束。

无需共享时钟：双方时钟独立，但需要相同的波特率。

全双工（Full-Duplex）

定义: 数据可以同时双向传输，即发送和接收在同一时间内进行。需要两根独立的物理通道，一条用于发送数据，另一条用于接收数据。

数据传输速率以波特率表示，即每秒传输的位数。例如，如果数据传输速率为120个字符/秒，每个字符为10位（1个起始位、7个数据位、1个校验位、1个停止位），则其传输的波特率为10×120 = 1200 个bit/s = 1200 波特率。

数据通讯格式

起始位

每次通信开始时，发送方发送一个逻辑“0”信号（VOL），表示传输字符的开始。由于总线空闲时为高电平，因此在开始通信时先发送一个与空闲状态明显不同的信号，即VOL。

数据位

起始位之后是我们要传输的数据。数据位可以是5、6、7、8、9位等组成一个字符（通常是8位）。如ASCII码（7位）、扩展BCD码（8位）。首先发送最低位，最后发送最高位。用低电平 表示“0”，高电平表示“1”，完成数据位的传输。

奇偶校验位

奇偶校验基于二进制码流中“1”的个数。发送方根据数据生成一个校验位，接收方通过重新计算来验证数据的完整性。

1. 奇校验（Odd Parity）

定义：数据中所有“1”的个数（包括校验位）总是奇数。
生成方法：
- 如果“1”的个数已经是奇数，校验位为0。
- 如果“1”的个数是偶数，校验位为1。

2. 偶校验（Even Parity）

定义：数据中所有“1”的个数（包括校验位）总是偶数。
生成方法：
- 如果“1”的个数已经是偶数，校验位为0。
- 如果“1”的个数是奇数，校验位为1。

奇偶校验的示例

数据位：1011001

奇校验：
- 数据中“1”的个数：4（偶数）。
- 校验位为：1。
- 最终传输数据：10110011。
偶校验：
- 数据中“1”的个数：4（偶数）。
- 校验位为：0。
- 最终传输数据：10110010。

校验过程

发送方：
- 根据数据计算校验位。
- 将数据和校验位一起发送。
接收方：
- 接收数据后重新计算奇偶性。
- 比较计算结果和校验位：
  - 若一致：数据可能正确。
  - 若不一致：检测到错误。

优点：

实现简单，资源占用低。
能检测单比特错误。

缺点：

无法纠错：仅能检测错误，无法判断错误发生在哪一位。
局限性：无法检测到偶数个比特翻转错误（例如两个“1”变成“0”或相反）。
误判概率：错误未被检测的概率较高。

停止位

它是字符数据的结束标记。它可以是 1 位、1.5 位或 2 位 VOH。由于数据在传输线上是定时的，并且每个设备都有自己的时钟，所以在通信时两个设备之间很可能会出现小的不同步。因此停止位不仅表示传输的结束，而且还为计算机提供了纠正时钟的机会。停止位越多，数据传输越稳定，但数据传输速度越慢。

协议层

在协议层中，规定了数据包的内容，由起始位、主要数据、校验位和停止位组成。双方的数据包格式必须约定一致，才能正常发送和接收数据。

字段	长度	描述
STX	1 字节	消息开始标识符（固定为 0xFE）。
Length	1 字节	消息负载部分的长度（不包括头部和校验和）。
Sequence	1 字节	序列号，用于跟踪消息的顺序。
System ID	1 字节	标识系统的 ID，通常是无人机或地面站。
Component ID	1 字节	标识系统中不同组件的 ID，如飞行控制器、GPS 模块、传感器等。
Message ID	1 字节	消息类型标识符，用于标识不同类型的消息（如飞行状态、遥控指令等）。
Payload	可变长度	数据负载部分，包含具体的传输数据。
Checksum	2 字节	校验和，用于验证数据传输的完整性。

错误状态

1. 帧错误（Frame Error）

原因：帧错误通常发生在接收到的数据与预期的帧结构不匹配时。例如，如果数据位的数量不对或缺少停止位，就会发生帧错误。

可能原因：数据位长度设置不正确。停止位缺失或错误。接收方的接收时钟和发送方的发送时钟不同步。

解决方法：确保发送和接收双方的帧格式一致（如数据位、停止位和奇偶校验位等）。检查串口波特率是否匹配。

2. 溢出错误（Overrun Error）

原因：溢出错误发生在接收缓冲区满时，接收到的新数据无法存入缓冲区。

可能原因：接收方处理速度太慢，数据到达的速率超过了缓冲区的处理能力。串口配置的波特率过高，导致接收方无法及时读取数据。

解决方法：提高接收方的处理速度，减少数据的读取时间。降低波特率，以确保数据接收的稳定性。使用更大的接收缓冲区，减少丢包的风险。

3. 奇偶校验错误（Parity Error）

原因：奇偶校验错误发生在接收到的数据与设定的奇偶校验不一致时。

可能原因：数据传输过程中发生了位翻转，导致校验和错误。发送和接收双方的校验位配置不同（例如一个使用偶校验而另一个使用奇校验）。

解决方法：确保发送方和接收方使用相同的奇偶校验设置（偶校验、奇校验或无校验）。检查通信线路和电气连接，确保没有噪声干扰。

4. 接收缓冲区溢出（Receive Buffer Overflow）

原因：当接收数据的速率高于处理速率时，接收缓冲区可能会溢出，导致数据丢失。

可能原因：数据接收速率过快，接收端无法及时处理数据。系统负载过高，无法及时读取接收到的数据。

解决方法：降低串口的波特率。优化接收端的处理算法，确保数据尽可能快地被处理。使用较大的缓冲区以容纳更多数据。

5. 发送缓冲区溢出（Transmit Buffer Overflow）

发送缓冲区溢出发生在发送数据的速率超过了 UART 控制器能够处理的速率。

可能原因：数据发送速率过快，导致缓冲区被填满。发送方无法及时将数据从缓冲区传输到 UART。

解决方法：降低波特率或发送速率。增加硬件或软件缓冲区的大小，以适应高数据传输量。在发送端加入流控制（如 XON/XOFF 或 RTS/CTS）来调节数据流量。

6. 线路噪声（Noise Error）

线路上的电气噪声可能会干扰数据传输，导致数据错误。

可能原因：串口线路中存在高频噪声源。电源不稳定或电磁干扰（EMI）影响了串行通信。

解决方法：使用更高质量的屏蔽线缆来减少外部干扰。在设备中加入滤波器以减少噪声。采取差分信号传输（如 RS-485）来减少噪声的影响。

7. 数据丢失（Data Loss）

数据丢失可能发生在接收方无法及时处理所有传入数据时，导致缓冲区中的一些数据丢失。

可能原因：接收方的处理能力不足，无法及时读取和处理数据。高速数据传输时缓冲区的溢出。

解决方法：增加接收方处理能力，优化数据处理流程。采用流控制协议（如 XON/XOFF 或 RTS/CTS）来控制数据流量。

UART、I2c 和 SPI

协议	复杂度	传输速度	设备数量	线数	复式	主从数量
UART	简单的	最慢	最多 2 台设备	1	全双工	单对单
I2C	轻松链接多个设备	比 UART 更快	最多 127 个，但变得复杂	2	半双工	多个从机和主机
SPI	随着设备的增加而复杂	最快的	很多，但变得复杂	4	全双工	1个主站，多个从站