UART

一、串口（UART）概述

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）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。以下是 UART 的详细介绍：

1.1 UART 的基本概念

UART 是一种串行通信接口，它允许设备通过串行通信方式发送和接收数据。UART 通信是异步的，这意味着通信双方不需要共享一个时钟信号来同步数据传输。UART 通常用于嵌入式系统中，如微控制器与其他设备之间的数据交换。

1.2 UART 的物理连接

UART 通信通常只需要两条线：一条用于数据的发送（TX），一条用于数据的接收（RX）。此外，还需要一条地线（GND）来提供一个共同的参考电平，确保信号的准确性。在实际连接时，一个设备的 TX 线需要连接到另一个设备的 RX 线，反之亦然，这样才能实现双向通信。

1.3 UART 的数据格式

UART 通信的数据格式包括以下几个部分：

起始位：标识数据帧的开始，通常为一个逻辑“0”的位。
数据位：紧随起始位之后，包含实际要传输的数据。数据位的长度可以根据需要设置为 5、6、7、8 或 9 位。
奇偶校验位（可选）：用于错误检测，可以是奇校验、偶校验或无校验。
停止位：标识数据帧的结束，可以是 1 位、1.5 位或 2 位。停止位通常为逻辑“1”。

1.4 波特率

波特率是 UART 通信中最重要的参数之一，它定义了数据传输的速率，即每秒钟传输的位数。常见的波特率值有 300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200 等。波特率必须在通信双方之间进行匹配，否则数据将无法正确传输。

1.5 额外的信号管脚

除了基本的 TX 和 RX 管脚，UART 还有其他一些信号管脚，这些管脚用于实现更高级的通信功能，如流控制等：

DTR（Data Terminal Ready）：数据终端就绪信号，用于指示数据终端设备（DTE）已经准备好进行通信。
DSR（Data Set Ready）：数据集就绪信号，用于指示数据通信设备（DCE）已经准备好进行通信。
DCD（Data Carrier Detect）：数据载波检测信号，用于指示检测到载波信号，即通信链路已经建立。
RI（Ring Indicator）：响铃指示信号，用于指示有来电。
nRTS（Request To Send）：请求发送信号，用于硬件流控制，当设备准备好发送数据时，此信号为低电平。
nCTS（Clear To Send）：清除发送信号，用于硬件流控制，当设备准备好接收数据时，此信号为低电平。

这些额外的管脚主要用于实现硬件流控制（如 RTS/CTS）和调制解调器控制（如 DTR/DSR/DCD/RI）。在实际应用中，这些管脚的使用取决于具体的通信需求和硬件配置。

二、演示功能概述

本文将演示如何在 Air201模组上实现 UART（通用异步收发传输器）的通信。演示功能主要包括以下几个方面：

1. 初始化 UART：将介绍如何配置 UART 的波特率、数据位、停止位和校验位等参数，并初始化 UART。

2. 接收数据：将展示如何通过注册接收事件的回调函数来接收来自 UART 的数据，并处理接收到的数据。

3. 发送数据：将介绍如何使用 UART 的 API 接口来发送数据，包括发送普通字符串、十六进制数据和 JSON 格式的数据。

4. 串口通信：将展示如何在 Air201模组上实现单串口通信，包括配置和发送接收数据的步骤。

5. RS485 通信：将展示如何在 Air201模组上实现 RS485 通信，包括配置和发送接收数据的步骤。

6. USB 虚拟串口：将介绍如何在 Air201模组上使用 USB 虚拟串口进行通信，包括配置和发送接收数据的步骤。

通过这些演示，大家可以了解如何在 Air201模组上实现 UART 通信，包括初始化、接收和发送数据、以及实现串口、RS485 和 USB 虚拟串口通信等。

三、演示硬件环境

3.1 开发板

本文主要以 Air201模组+连接扩展板为例进行演示

1. Air201模组

使用 Air201模组，如下图所示：

点击链接购买：合宙Air201模组淘宝购买链接；

此模组的详细使用说明参考：Air201 产品手册。

2. Air201扩展板

使用 Air201扩展板，如下图所示：

3.2 SIM 卡

在中国大陆环境下，使用移动，电信，联通的物联网卡或者手机卡都可以。

3.3 PC 电脑

PC 电脑推荐使用 Windows10 及以上版本。

3.4 数据通信线

1. USB 转 Type-C 数据线

它的一端是 USB 接口，另一端是 Type-C 接口。

2. USB 转 TTL 工具或者串口线

由于本文教程与串口有关，所以需要大家准备 USB 转 TTL 工具或者串口线，例如 CH340、FT232 等。本文教程使用的USB 转 TTL 工具如下示意图所示：

3. USB 转 RS485 模块

由于本文教程涉及 RS485 通信，所以需要大家准备 USB 转 RS485 模块。此为购买链接。需要注意的是，该购买链接只是推荐，大家也可以多看看其他店铺。

四、演示软件环境

4.1 Luatools 下载调试工具

Luatools 工具由合宙推出，支持最新固件获取、固件打包、trace 打印及单机烧录等功能。

工具使用说明参考：Luatools 下载和详细使用

4.2 LLCOM 串口通信工具

LLCOM 作为简单实用的串口通信助手工具，可以在计算机与设备之间建立串口通信连接，实现数据的发送与接收。

工具使用说明参考：LLCOM | 能跑Lua代码的串口调试工具！，详细使用说明可以直接参考下载网站。

4.3 LuatOS 固件和脚本 demo 代码

1. LuatOS 固件

LuatOS 固件下载位置参考：LuatOS 底层 core 注：本 demo 使用如图所示固件

2. 脚本 demo 代码

脚本 demo 仓库参考：https://gitee.com/openLuat/LuatOS-Air210

本文所用到的 demo 位置参考：https://gitee.com/openLuat/LuatOS-Air210/tree/master/demo/uart

至于如何拉取仓库代码，请大家自行百度查询。

五、软硬件资料

5.1 uart 库介绍

5.1.1 主要功能介绍

uart 库即串口操作库，该库为内部库，因此在程序中使用时无需 require 调用。该库主要用于支持 UART（通用异步收发传输）功能，适用于一些嵌入式设备或平台。它使用 C 语言，并结合 Lua 脚本提供了一些 API 供用户方便地控制和操作串口。该库包含如下主要功能：

初始化、配置和管理多个串口设备，包括支持软件 UART。
发送和接收数据，支持串口的基本通信功能。
提供事件回调机制，用户可以注册接收和发送的数据处理函数。
允许用户检查串口的存在以及读取剩余数据缓存的大小。
支持 485 模式的特定操作及其管理。

5.1.2 API 接口介绍

本教程所用 API 接口参考：uart - 串口操作库 - 合宙文档中心

5.2 串口接线介绍

Air201支持 3 个串口，分别为主串口 MAIN_UART，GPS串口，调试串口 DBG_UART。在使用串口时，默认将主串口 MAIN_UART 作为串口 1（UART1），扩展串口 GPS作为串口 2（UART2）。在本文中，将会使用到 UART1。特别说明，调试串口 DBG_UART 是用来输出模块的运行日志，不能连接任何外设。

5.2.1 串口管脚位置介绍

Air201串口管脚位置说明：

5.2.2 串口接线说明

接下来进行接线操作，注意模块与 MCU 之间要交叉接线，即 TX 接 RX，RX 接 TX，GND 接 GND 。

5.3 Air201模组烧录说明

5.3.1 选择固件和脚本

1. 打开 Luatools 工具

2. 点击 项目管理测试

3. 根据图示操作

注意，大家只需要跟着做到第七步即可，第八步跟着后面的操作再做。

5.3.2 烧录

1. 将 Air201开发板通过 USB 数据线连接至电脑，如下图所示：

2. 根据下方操作进行烧录

Air201进入boot下载模式，烧录固件和程序，需要将预留的测试点（Air201板子 B面图）的BOOT 上拉到vdd_ext（A面USB旁边），之后上电开机，即可进入下载模式，下载完程序后将boot脚悬空。

Air201板子 A面图

Air201板子 B面图

5.3.3 下载模式下的端口显示

判断是否进入 BOOT 模式：模块上电，此时在电脑的设备管理器中，查看串口设备，会出现一个端口表示进入了 BOOT 下载模式，如下图所示：

六、代码示例介绍

6.1 初始化

6.1.1 单串口

大家任选其中一个就行，本文使用 MAIN_UART（ UART1 ）串口进行演示。

使用 MAIN_UART（ UART1 ）串口：

local uartid = 1 -- 使用uart1，可根据实际设备选取不同的uartid

--初始化 参数都可以根据实施情况修改
uart.setup(
    uartid,--串口id
    115200,--波特率
    8,--数据位
    1--停止位
)

6.1.2 RS485 串口

local uartid = 1        -- 根据实际设备选取不同的uartid
local uart485Pin = 22   -- 用于控制485接收和发送的使能引脚

--初始化 
uart.setup(
    uartid,     -- 串口id
    9600,       -- 波特率
    8,          -- 数据位
    1,          -- 停止位
    uart.NONE,  -- 校验位
    uart.LSB,   -- 大小端，uart.LSB为小端，uart.MSB为大端
    1024,       -- 缓冲区大小 1024
    uart485Pin, -- 485转换的GPIO
    0,          -- 485模式rx方向的gpio的电平，默认0 低电平
    2000,       -- 485模式下tx向rx转换的延迟时间，单位us
    )

6.1.3 USB 虚拟串口

local uartid = uart.VUART_0 -- 使用USB虚拟串口，固定id

--初始化 参数都可以根据实施情况修改
uart.setup(
    uartid,--串口id
    115200,--虚拟串口的波特率选择多少都无所谓
    8,--数据位
    1--停止位
)

6.2 注册接收数据的回调函数

uart.on 函数用于注册一个接收事件的回调函数，当指定的串口 uartid 接收到数据时，该回调函数会被自动触发并执行。回调函数通过 uart.on(uartid1, "receive", function(id, len) ... end) 定义，并处理接收到的数据。数据的读取是通过 uart.read() 函数进行的，uart.read() 函数是非阻塞的，它是直接从现有缓存区中直接读取数据。

-- 收取数据会触发回调, 这里的 "receive" 是固定值不要修改。
uart.on(uartid, "receive", function(id, len)
    local s = ""
    repeat
        s = uart.read(id, 128)
        if #s > 0 then -- #s 是取字符串的长度
            -- 关于收发hex值,请查阅 https://doc.openluat.com/article/583
            log.info("uart", "receive", id, #s, s)
            log.info("uart", "receive(hex)", id, #s, s:toHex())   -- 如果传输二进制/十六进制数据, 部分字符不可见, 不代表没收到，可以用以hex格式打印
        end
    until s == ""
end)

6.3 发送数据

发送普通字符串

uart.write(uartid, "\r\nRDY\r\nmodel：" .. hmeta.model())

发送十六进制的数据串

uart.write(uartid, string.char(0x55,0xAA,0x4B,0x03,0x86))

通过 zbuff 的方式发送数据

local buff = zbuff.create(1024)
buff:copy(0, "aa:bb:cc:dd, zbuff!")
uart.tx(uartid, buff)

发送 json 格式的数据

local data =
{
    host = "abcdefg.com",
    port = "1883",
    clientID = "c88885",
    username = "user",
    password = "123456",
    ca_self = {ssl=false},
}

local jsondata = json.encode(data)
uart.write(uartid, jsondata)

七、功能验证

7.1 串口

7.1.1 接线展示

下方为 MAIN_UART 的接线图

7.2 RS485 通信

7.2.1 RS485 通信介绍

物联网（IoT）在工业场景中的应用越来越广泛，而 RS485 是一种常见的通信协议，广泛应用于工业自动化和物联网系统中。RS485 是一种串行通信标准，主要用于长距离、多节点通信。适用于工业环境中的传感器、执行器、控制器等设备之间的数据传输，且支持多点通信，可以连接多个设备，实现分布式控制。因为具有较好的抗干扰能力，也很适用于噪声环境下的通信。RS485 支持长距离传输，通常可达 1200 米，适用于工业现场中的远程监控和控制。

RS485 是一种半双工通信协议。半双工通信协议允许数据在两个方向上传输，但同一时间只能在一个方向上传输数据。在 RS485 通信中，当发送数据时，只能发送数据而不能接收数据；当接收数据时，只能接收数据而不能发送数据。

比如：在 RS485 通信中，通常使用一个引脚（如 A 或 RX ）作为发送引脚，另一个引脚（如 B 或 TX ）作为接收引脚。当发送数据时，发送引脚输出高电平或低电平，接收引脚不工作；当接收数据时，接收引脚输出高电平或低电平，发送引脚不工作。有的也有单独一根线专门用于控制收发逻辑，输出高低电平，负责管理 RS485 的通讯，包括发送、接收、处理错误等数据。

优点：

抗干扰能力强：RS485 采用差分信号传输，抗干扰能力强，适用于工业环境中的噪声干扰。
传输距离远：RS485 支持长距离传输，适用于工业现场中的远程监控和控制。
多节点通信：RS485 支持多点通信，可以连接多个设备，实现分布式控制。
兼容性好：RS485 是一种标准化的通信协议，具有较好的兼容性，可以与其他设备进行通信。
成本较低：RS485 模块和电缆的成本相对较低，适用于工业现场中的成本控制。

缺点：

信号衰减：随着距离的增加，信号衰减会加剧，影响通信质量。
速率限制：RS485 的传输速率相对较低，通常在 9600bps 到 115200bps 之间，适用于低速数据传输。
电气特性要求：RS485 对电气特性有较高的要求，需要使用特定的电缆和连接器。
布线复杂：RS485 需要使用双绞线进行布线，布线复杂度较高。

7.2.2 接线展示

下图中BTB扩展板的A接USB 转 RS485的A，BTB扩展板的B接USB 转 RS485的B。

完整接线图：

7.2.3 运行结果展示

7.3 USB 虚拟串口

7.3.1 USB 虚拟串口介绍

USB 虚拟串口是一种将 USB 接口转换为串行通信接口的技术。它允许计算机通过 USB 接口与其他设备进行串行通信，如调制解调器、打印机、扫描仪等。USB 虚拟串口通常由一个 USB 转串行适配器和一个驱动程序组成。

并且虚拟串口通常没有波特率要求，因为它们是软件模拟的串行通信接口，不依赖于物理硬件。然而，在实际应用中，虚拟串口仍然需要遵守一些基本的通信协议，比如数据位、停止位和校验位等。

USB 虚拟串口的主要功能包括：

串行通信：USB 虚拟串口可以模拟串行通信接口，实现数据的串行传输。它支持各种串行通信协议，如 RS-232、RS-485 等。
传输可靠：传统的串口连接线容易受到干扰，而 USB 虚拟串口采用的 USB 技术可以更好地抵抗干扰，提高了通信的可靠性。
串行控制：USB 虚拟串口可以控制串行通信参数，如波特率、数据位、停止位、奇偶校验等。它还支持串行通信的流控制和错误处理。
使用方便：USB 虚拟串口无需再使用传统的串口连接线，只需要一个标准的 USB 数据线即可连接计算机和外部设备，使得设备连接更加方便

USB 虚拟串口广泛应用于各种领域，如工业自动化、物联网、智能家居等。它为各种设备提供了便捷的串行通信解决方案，提高了系统的灵活性和可靠性。

7.3.2 虚拟通讯串口-端口位置说明

首先通过带有 DM、DP 的 USB 数据线两端连接模块和 Windows10 或者 Windows11 系统的电脑。

然后将模块开机，就可以从电脑的设备管理器中看到端口处多出来 3 个 USB 端口。

找到"USB\VID_19D1&PID_0001&MI_06\7&17910EBA&0&0006"就是用于软件控制串口传输的 USB 虚拟串口。

7.3.3 运行结果展示

7.6 UART 电平

7.6.1 UART 电平介绍

UART 电平是指串行通信中使用的电压电平标准。常见的串口电平标准有 RS-232、TTL 和 RS-485 等。

1. RS-232 电平：RS-232 是一种常用的串口通信标准，它使用负逻辑电平，即逻辑 1 用 -3V 到 -15V 表示，逻辑 0 用 +3V 到 +15V 表示。RS-232 电平适用于短距离、低速率的通信。 2. TTL 电平：TTL（Transistor-Transistor Logic）电平是一种常见的数字电路电平标准，它使用正逻辑电平，即逻辑 1 用 +5V 表示，逻辑 0 用 0V 表示。TTL 电平适用于短距离、高速率的通信。 3. RS-485 电平：RS-485 是一种常用的串口通信标准，它使用差分电平，即逻辑 1 用 +2V 到 +6V 表示，逻辑 0 用 -2V 到 -6V 表示。RS-485 电平适用于长距离、高速率的通信。

在串口通信中，选择合适的电平标准非常重要，它直接影响到通信的可靠性和稳定性。

Air201模块的 UART IO 电压默认为 1.8V。

八、总结

本文演示了如何在 Air201 模组上实现 UART（通用异步收发传输器）的通信。

九、扩展

十、常见问题

1. 串口电平电压过低或过高可能会导致什么问题？

如果电压过低，可能会导致接收器无法正确识别信号，如果过高，可能会导致信号损坏或损坏接收器。概述：可能会导致串口无法正常通讯，或通讯数据会突然出现乱码，数据错乱等问题。