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01 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

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UART 的数据格式通常包含以下几个部分:

1.3.1 起始位(Start Bit)

  • 起始位是一个逻辑低电平(0),它标志着一个数据字符的开始。在进行数据传输过程中,数据线通常保持为高电平(空闲状态),当有数据要发送时,发送方会将数据线从高电平拉低,维持一个比特时间,这个低电平信号称为起始位。接收方检测到这个低电平后,便开始准备接收后续的数据位。

1.3.2 数据位(Data Bits)

  • 数据位紧跟在起始位之后,包含有实际要传输的数据。数据位的位数可以是 5 - 9 位,具体位数根据实际应用需求和协议约定来确定。
  • 例如,如果使用 8 位数据位,那么它可以表示 256(2⁸)种不同的数据值。对于常见的 ASCII 码字符传输,8 位数据位可以完整地表示一个字符,包括其字节值。

1.3.3 奇偶校验位(Parity Bit,可选)

  • 奇偶校验位用于错误检测。它可以是奇校验或偶校验。如果选择奇校验,发送方会根据数据位中 1 的个数来设置奇偶校验位的值,使得整个数据位(包括奇偶校验位)中 1 的个数为奇数。同样,偶校验则是让 1 的个数为偶数。接收方收到数据后,会根据约定的奇偶校验方式来检查数据的完整性。如果奇偶校验位与数据位的组合不符合约定的奇偶性规则,就认为数据传输过程中可能出现了错误。
  • 例如,假设数据位是 8 位,数据位中有 3 个 1,此时使用偶校验,那么奇偶校验位就设置为 1,使得整个数据(8 位数据位 + 1 位奇偶校验位)有 4 个 1,满足偶校验的要求。

1.3.4 停止位(Stop Bits)

  • 停止位位于数据帧的末尾,是一个或多个逻辑高电平(1)。它用于标志着一个数据字符的结束,并为接收方提供数据恢复时间。停止位的长度可以是 1 位、1.5 位或 2 位,具体取决于选用的 UART 配置。较长的停止位可以为接收方提供更充裕的时间来处理接收到的数据,但对于数据传输速率较高的情况,较短的停止位可以提高数据传输效率。

1.4 UART的波特率

波特率(Baud Rate)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 UART的信号管脚

UART的信号管脚主要包括以下几个:

1.5.1 基本信号管脚

  • TX(Transmit):发送数据管脚,用于将数据从发送端传输到接收端。
  • RX(Receive):接收数据管脚,用于接收来自发送端的数据。
  • GND(Ground):地线,用于提供信号的参考电平,确保发送和接收设备之间的电平一致。
  • VCC(Power Supply):电源管脚,为UART设备提供直流电源。

1.5.2 流量控制信号管脚(可选)

  • RTS(Request to Send):请求发送信号。在硬件流量控制中,发送端通过RTS信号通知接收端准备接收数据。当发送端准备好发送数据时,会将RTS信号置为低电平,请求接收端准备好接收。
  • CTS(Clear to Send):允许发送信号。接收端通过CTS信号通知发送端可以开始发送数据。当接收端准备好接收数据时,会将CTS信号置为低电平,允许发送端发送数据。

1.5.3 其他信号管脚(根据具体应用可能需要)

  • DSR(Data Set Ready):数据设备准备好信号。通常用于调制解调器等设备,表示数据设备已经准备好进行通信。
  • DTR(Data Terminal Ready):数据终端准备好信号。表示数据终端设备已经准备好进行通信。
  • DCD(Data Carrier Detect):数据载波检测信号。用于检测通信线路中的载波信号,通常用于调制解调器等设备。
  • RI(Ring Indicator):振铃指示信号。用于指示电话线上的振铃信号,通常用于调制解调器等设备。

二、演示功能概述

本文将演示如何在 Air8000 整机开发板上实现 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. 单串口通信:将展示如何在 Air8000 整机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. 多串口通信:将展示如何在 Air8000 整机开发板上实现多串口通信,包括配置和发送接收数据的步骤。

6. RS485 通信:将展示如何在 Air8000 整机开发板实现 rs485 通信,包括配置和发送接收数据的步骤。

7. USB 虚拟串口:将介绍如何在 Air8000 整机开发板上使用 USB 虚拟串口进行通信,包括配置和发送接收数据的步骤。同时,该功能已单独写了一篇文档,可移步此处查看。

8. UART 电平:将介绍 UART 电平的标准和如何在 Air8000 整机开发板上修改 UART 电平。

通过这些演示,大家可以了解如何在 Air8000 整机开发板上实现 UART 通信,包括初始化、接收和发送数据、以及实现单串口、多串口、rs485 和 USB 虚拟串口通信等。

三、演示硬件环境

参考:硬件环境清单第二章节内容

本文以 Air8000 整机开发板为例进行演示。可通过 淘宝 进行购买。

Air8000_whole_board1

四、准备软件环境

参考:软件环境清单第二章节内容

1. 烧录工具:参考Luatools工具使用说明

2. 内核固件文件(底层core固件文件):参考项目使用的内核固件 ,本文使用的是 LuatOS-SoC_V2006_Air8000_LVGL.soc ;

3. 需要烧录的脚本和资源文件:

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

5.2 串口接线介绍

Air8000 最多支持 6 个串口,分别为 UART0、UART1、UART3、UART10、UART11、UART12,其中 UART0 和 UART10 为调试串口,UART3 需要复用后才才能使用,而且在使用 UART10、UART11、UART12 之前需要模组已经烧录过 WIFI 固件,后续若需要升级 WIFI 固件可参考WIFI升级这篇文档。

本文使用 UART1、UART11进行演示。

特别说明,UART0 和 UART10 分别用于输出 4G 和 WIFI 日志,不能连接任何外设。

5.2.1 串口管脚位置说明

在进行复用之前请先参考:GPIO 使用注意事项 - luatos@Air8000 - 合宙文档中心

Air8000 整机开发板串口管脚位置示意图:

image-20250525143514589

5.2.2 串口接线说明

接下来进行接线操作,Air8000 整机开发板与 MCU/串口板 之间是 TX 接 RX,RX 接 TX,GND 接 GND 。

由于本文只需用到 UART1 和 UART11 两个通用串口,因此下表中只列出了这两个通用串口的模块引脚编号及模块与 MCU 之间的接线说明。

关于 Air8000 UART电路说明请参考:Air8000 UART电路介绍

UART1 接线说明:

UART11 接线参考 UART1 接线演示即可。

Air8000整机开发板 MCU或者串口板
UART1_TXD UART_RXD
UART1_RXD UART_TXD
GND 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 UART11 串口:
local uartid = 11 -- 使用uart11

--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 UART11 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 = 11 -- 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
)

-- 初始化第二个串口
uart.setup(
    uartid2,--串口id
    115200,--波特率
    8,--数据位
    1--停止位
)

6.1.3 RS485 串口

local uartid = 1        -- 根据实际设备选取不同的uartid
local uart485Pin = 17   -- 用于控制485收发转换的方向转换脚
gpio.setup(16, 1)        --打开电源(开发板485供电脚是gpio16,用开发板测试需要开机初始化拉高gpio16)

-- 初始化串口参数
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
    1024, -- 缓冲区大小
    uart485Pin, -- 485模式下收发转换脚gpio
    0, -- 485模式下rx方向gpio的电平
    20000 -- 485模式下tx向rx转换的延迟时间
)

6.1.4 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

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 单串口

7.1.1 接线展示

下方为 UART1的接线图

image-20250525152816553

7.1.2 运行结果展示

由于 SSCOM 工具显示 UTF-8 编码格式的中文内容时会乱码,所以采用 HEX 显示方式进行演示。

7.2 多串口

7.2.1 接线展示

参考 7.1.1 接线展示 中的接线即可。

7.2.2 运行结果展示

由于 SSCOM 工具显示 UTF-8 编码格式的中文内容时会乱码,所以采用 HEX 显示方式进行演示。

7.3 RS485 通信

7.3.1 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。

7.3.2 接线展示

Air8000 整机开发板的 A 接USB 转 RS485的 A,B 接USB 转 RS485的 B。

7.3.3 运行结果展示

7.4 USB 虚拟串口

7.4.1 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。

7.4.2 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。

7.5 UART 电平

7.5.1 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。

Air8000 模块的 UART IO 电压为 3.3V,如果不满足使用场景需要更改电压,那么有两种方式。

七、总结

本文演示如何在 Air8000 整机开发板上实现 UART(通用异步收发传输器)的通信。

八、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/air8000/luatos/hardware/design/uart/ 查看