📚 课程目录第4章 UART协议基础

UART协议基础：帧格式、波特率与数据完整性

UART，说白了就是串口。我入行那会儿，调试板子第一件事就是先把串口打通。它简单、可靠，直到今天，几乎所有MCU和传感器都还留着它。这一章，咱们把UART的帧格式、波特率、起始位、数据位、校验位、停止位这些基础概念彻底讲透。

UART是异步通信，没有时钟线。收发双方靠什么同步？靠约定的帧格式。一帧数据，就像一列火车，有车头、车厢、车尾。

我习惯把UART帧画成下面这张图，一目了然：

起始位是UART通信的“发令枪”。发送方把TX线从高电平拉低，保持一个位时间。接收方检测到这个下降沿，就知道“数据要来了”。

停止位则是“刹车”。发送方把TX线拉高，保持1位、1.5位或2位时间。接收方看到停止位，就知道这一帧结束了。

我的经验： 停止位用2位，能容忍更大的时钟偏差。我在一个长距离通信项目里，线缆有十几米，波特率9600，用2位停止位后误码率明显下降。你想想看，多花一个位时间，换来稳定性，值不值？

数据位可以是5、6、7、8位，甚至9位。最常见的是8位，刚好一个字节。为什么？因为ASCII码是7位，加上校验位或扩展字符，8位最灵活。

发送顺序是LSB（最低有效位）先发，MSB（最高有效位）后发。这一点和I2C、SPI不一样，别搞混了。

  关键点： 收发双方的数据位长度必须一致。你设8位，对方设7位，收到的数据全是乱的。我见过有人调试半天，最后发现是数据位不匹配——这种坑，踩过一次就记住了。

校验位是可选的。有奇校验、偶校验、无校验三种模式。

校验位只能检测奇数个位错误。如果两个位同时翻转，校验位就发现不了。不过对于大多数嵌入式场景，够用了。

注意： 我曾经在一个工业控制项目里，环境电磁干扰很强，奇校验根本不够用。后来加了CRC校验（应用层实现），才彻底解决问题。UART的硬件校验位只是基础防护，别指望它万无一失。

波特率就是每秒传输的符号数。对UART来说，一个符号就是一个位。所以波特率 = 位速率。

常用波特率有：9600、19200、38400、115200、921600。115200是很多MCU的默认值，速度适中，稳定性好。

收发双方的波特率必须一致，误差一般要求在±2%以内。误差大了，采样点会偏移，导致数据错位。

  计算公式： 传输一个字节（8N1）需要 1（起始）+ 8（数据）+ 1（停止）= 10位。波特率115200时，每秒可传 115200 / 10 = 11520 字节 ≈ 11.25 KB/s。

为什么波特率误差会出问题？我画个时序图你就明白了。

你看，误差会累积。起始位检测时对齐，但每过一个位，采样点就偏移一点。到最后一个数据位或停止位时，可能就采到边界上了。

避坑指南： 我曾经用内部RC振荡器做UART通信，标称16MHz，实际只有15.6MHz，误差2.5%。9600波特率勉强能用，但115200就完全乱码。后来换了外部晶振，问题解决。所以，高速UART一定要用晶振，别省那几毛钱。

实际项目中，UART配置通常用三个字母表示：数据位-校验位-停止位。比如8N1、8E1、7O2。

  我的建议： 新项目默认用8N1。如果环境有干扰，先上8N2，再考虑加校验。别一上来就奇校验偶校验，调试起来麻烦，收益却不大。

除了基本帧格式，UART还有硬件流控：RTS（请求发送）和CTS（允许发送）。

简单说：发送前先问对方“能收吗？”，对方说“能”再发。这样能防止接收缓冲区溢出。

不过，很多嵌入式场景不用流控。只要双方处理速度匹配，或者用软件协议控制，就够了。

个人经验： 我做过一个项目，MCU通过UART给Wi-Fi模块发数据，Wi-Fi模块处理慢，缓冲区经常满。加了RTS/CTS流控后，问题解决。但要注意，流控线会占用两个GPIO，PCB布局时提前规划好。

UART协议基础，说白了就是约定好“怎么开始、怎么结束、中间传什么、传多快”。起始位和停止位保证帧同步，数据位承载信息，校验位提供基础检错，波特率决定速度。这些参数必须收发一致，否则通信失败。