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通信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Air8101开发板上实现UART（通用异步收发传输器）的通信。演示功能主要包括初始化UART、通过UART方式收发数据、单串口通信、多串口通信、RS485通信等。通过这些演示，大家可以更好的了解与使用UART通信。

三、准备硬件环境

“古人云：‘工欲善其事，必先利其器。’在深入介绍本功能示例之前，我们首先需要确保以下硬件环境的准备工作已经完成。”

参考：硬件环境清单，准备以及组装好硬件环境。

四、准备软件环境

“凡事预则立，不预则废。”在详细阐述本功能示例之前，我们需先精心筹备好以下软件环境。

1. Luatools 工具；

2. 内核固件文件（底层 core 固件文件）：LuatOS-SoC_V10001_Air8101.soc；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：https://gitee.com/openLuat/LuatOS-Air8101/tree/master/demo/UART

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，接下来查看如何烧录项目文件到 Air8101 开发板，将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到 Air8101 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接口说明

本教程所使用的接口函数不再做详细介绍，可通过此链接查看具体介绍：uart - 串口操作库

5.2 串口接线介绍

Air8101开发板支持3路串口，分别为UART0、UART1、UART2。在本文中，将会使用到UART1和UART2。

5.2.1 串口管脚位置介绍

下方为Air8101开发板的串口管脚位置图

Air8101开发板串口管脚位置说明：

图片后续在此补充......

六、代码示例介绍

6.1 初始化

6.1.1 单串口

Air8101开发板提供3路串口，大家任选其一即可，本文使用UART1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UART2串口：

local uartid = 2 -- 使用uart2

--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

本文使用UART1、UART2两路串口进行演示

-- 根据实际设备选取不同的uartid
local uartid1 = 1 -- 第一个串口id
local uartid2 = 2 -- 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

本文依旧使用UART1口进行演示

local uartid = 1        -- 根据实际设备选取不同的uartid
local uart485Pin = 16   -- 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
    )

6.2 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(uartid, "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

特别注意：SSCOM串口工具不支持UTF-8编码格式的中文内容，会显示乱码。建议更换其他串口工具。

发送普通字符串

uart.write(uartid, "test data.")

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的接线示意图

图片后续在此补充......

7.1.2 运行结果展示

特别注意： SSCOM串口工具不支持UTF-8编码格式的中文内容，会显示乱码。建议更换其他串口工具。串口工具中的波特率要与代码中设置的波特率保持一致。

1. 在代码中编写一个模组每两秒自动通过UART1口发送一次数据的功能，PC 端使用串口工具通过UART1口查看是否两秒收到一次数据，若收到，则表示测试成功。

2. PC端使用串口工具通过UART1口向模组发送数据，模组通过UART1口可以正常接收到数据，即表示测试成功。

7.2 多串口

7.2.1 接线展示

图片后续在此补充......

7.2.2 运行结果展示

特别注意： SSCOM 串口工具不支持UTF-8编码格式的中文内容，会显示乱码。建议更换其他串口工具。串口工具中的波特率要与代码中设置的波特率保持一致。

1. 在代码中编写一个模组每2秒分别自动通过UART1口和UART2口发送一次数据的功能，PC端分别使用两个串口工具通过UART1口和UART2口查看是否2秒收到一次数据，若收到，则表示测试成功。

2. PC端使用两个串口工具分别通过UART1口和UART2口向模组发送数据，模组分别通过UART1口和UART2口可以正常接收到数据，即表示测试成功。

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

图片后续在此补充......

7.3.3 运行结果展示

特别注意： SSCOM串口工具不支持UTF-8编码格式的中文内容，会显示乱码。建议更换其他串口工具。串口工具中的波特率要与代码中设置的波特率保持一致。

1. 在代码中编写一个模组每2秒通过UART1口发送一次数据的功能，硬件方面将UART1口与TTL转RS485模组、USB转RS485模组接到PC端实现RS485通信方式，此时若PC端使用串口工具可以收到数据，则表示测试成功。

2. PC端使用串口工具向模组发送数据，若模组接收到数据，则表示测试成功。

八、总结

本文将演示如何在Air8101开发板上实现UART（通用异步收发传输器）的通信。

九、扩展

后续扩展在此补充，敬请期待......

十、常见问题

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。