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。(使用UART的DEMO时，请确保UART1的TXRX不会接地，否则模块会死机)

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。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。

Air780EGH模块只保留了3 线串口(RX/TX/GND)，主要因为: - 模块串口遵循 MODEM 串口标准，DTR、DSR、CTS、RTS 信号采用直连方式(不要交叉连接)，与标准 RS232 连接方式不同。 - 在物联网串口应用中，通常保留 TX/RX 加流控管脚的 5 线串口形式，但模块的 CTS 管脚起标准 RTS 功能，RTS 管脚起标准 CTS 功能。 - 流控管脚也可省略，形成 3 线串口(RX/TX/GND)。

具体参考UART电路介绍

二、演示功能概述

本文将演示如何在 Air780EGH 开发板上实现 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 Air780EGH 开发板上实现单串口通信，包括配置和发送接收数据的步骤。

5. RS485 通信：讲解 RS485 通信，包括配置和发送接收数据。

7. USB 虚拟串口：将介绍如何在 Air780EGH 开发板上使用 USB 虚拟串口进行通信，包括配置和发送接收数据的步骤。

8. UART 电平：将介绍 UART 电平的标准和如何在 Air780EGH 开发板上修改 UART 电平。

通过这些演示，大家可以了解如何在 Air780EGH 开发板上实现 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 Air780EGH 开发板为例进行演示。

Air780EGH 开发板

参考：硬件环境清单第二章节内容，准备以及组装好硬件环境。

四、软件环境

在开始实践本示例之前，先筹备一下软件环境：

1. Luatools工具；

2. 内核固件文件（底层core固件文件）：LuatOS-SoC_V2007_Air780EGH；参考项目使用的内核固件；

3. luatos需要的脚本和资源文件

脚本和资源文件点我,查看demo链接

lib脚本文件：使用Luatools烧录时，勾选添加默认lib 选项，使用默认lib脚本文件；

准备好软件环境之后，接下来查看参考如何烧录固件，将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到Air780EGH开发板中。

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

主串口 UART1：用于模块的数据传输和外部通信及模块控制，特性包括： TTL 电平串口，电平为 3.0V(默认)/1.8V，可通过 PIN100 管脚或二次开发代码配置 IO 电平电压。支持模块休眠唤醒功能(LPUART)，在休眠时只有主串口可接收数据唤醒模块，但非 9600 波特率下唤醒会丢失前几个字节。待机状态下为高电平。

扩展串口 UART3：电气特性与主串口相同，但不支持休眠唤醒功能。

调试串口 UART0：用于输出模块运行日志，固定波特率 921600 不可更改，不建议连接外设，但需预留测试点。其日志数据有专门协议，普通串口工具抓取会显示乱码，需使用指定的专用调试工具。

UART2已经用作通信主芯片和GNSS芯片之间的通信用，故不能用作它用，建议将PIN28 PIN29引出测试点，以便在调试所需时方便飞线

libgnss中，需要配置UART2为主芯片和GNSS芯片之间的通信串口。

5.2.1 串口管脚位置介绍

Air780EGH 开发板串口管脚位置说明：

5.2.2 串口接线说明

注意模块与 MCU 之间要交叉接线，即 TX 接 RX，RX 接 TX，GND 接 GND 。

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 UART1 串口进行演示。

使用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
)

使用UART3串口：

local uartid = 3 -- 使用uart3

--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 多串口

本文以UART1和UART3两个串口进行演示

-- 根据实际设备选取不同的uartid
local uartid1 = 1 -- 第一个串口id
local uartid2 = 3 -- 第二个串口id

-- 初始化第一个串口
uart.setup(
    uartid1,--串口id
    115200,--波特率
    8,--数据位
    1--停止位
)

-- 初始化第一个串口
uart.setup(
    uartid2,--串口id
    115200,--波特率
    8,--数据位
    1--停止位
)

6.1.3 RS485 串口

RS485电路参考的原理图(具体参考Air780EGH 485 硬件电路说明):

硬件接口： UART1：默认支持 RS485 模式，需外接 RS485 收发器。

TXD/RXD：连接 RS485 收发器的 DI/RO 端。

RE/DE（收发控制引脚）：通过 GPIO（如 GPIO24）控制，需在代码中配置。

A/B 线接屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地。

LuatOS 提供封装函数简化配置，支持 Modbus-RTU/TCP/ASCII 协议。 Modbus就是一种用在工业上的简单协议，是主从方式通信，也就是说，不能同步进行通信，总线上每次只有一个数据进行传输，即主机发送，从机应答，主机不发送，总线上就没有数据通信。主站发送相关的通信指令读取或者写入相关数据，从站就按相关指令返回对应的数据。 Modbus协议支持多种通信协议，包括TCP/IP、UDP、RTU、ASCII等。

local uartid = 1        -- 根据实际设备选取不同的uartid
local uart485Pin = 24   -- 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
    20000,       -- 485模式下tx向rx转换的延迟时间，单位us
    )

6.1.4 USB 虚拟串口

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。

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 UART 电平

6.2.1 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。

6.2.2 默认 UART 电压如何修改

在 luatOS 开发中，开机时通过使用 pm.ioVol() 接口，可以实现更改串口的电压。下面是使用实例：

-- pm.ioVol接口第二个参数设置电压范围：(1650~2000，2650~3400) 单位毫伏
-- 接口调用位置可以放到task里面，也可以放在task外面
-- 切换成3.0v
pm.ioVol(pm.IOVOL_ALL_GPIO, 3300)    -- 所有GPIO高电平输出3.0V

-- 切换成1.8v
pm.ioVol(pm.IOVOL_ALL_GPIO, 1800)    -- 所有GPIO高电平输出1.8V

6.3 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)

6.4 发送数据

本文中字符串编码格式为 UTF-8 编码格式，SSCOM 串口调试工具无法正确显示字符串中的中文，需要注意。

发送普通字符串

uart.write(uartid, "\r\nRDY\r\n模块型号：" .. 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 串口演示

接线展示:

下方为 UART1的接线图

串口运行结果展示:

串口工具接收到Air780EGH串口发送的数据:

串口工具发送 "Air780EGH" 到Air780EGH模块:

同一时间Air780EGH接收到串口发送的 "Air780EGH" :

7.2 USB 虚拟串口展示

虚拟串口接线: 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。

例程验证: 把虚拟串口例程烧录到开发板,打开串口工具,可以看到Air780EGH模块向串口工具发送的数据,如图:

串口工具发送数据,Air780EGH模块也能收到数据,如图:

八、总结

本文演示如何在 Air780EGH 开发板上实现 UART（通用异步收发传输器）的通信。

九、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。

2. 有没有推荐的串口设计电路可以作为参考？

有，请跳转至 https://docs.openluat.com/Air780EGH/luatos/hardware/design/uart/ 查看