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Uart demo - 8101

作者：魏健强　|　最后修改：2026-04-09

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 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。

二、演示功能概述

本文将演示如何在 Air8101 核心板上实现 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 Air8101 核心板上实现单串口通信，包括配置和发送接收数据的步骤。
  5. 单串口大数据通信：将展示如何在 Air8101 核心板上实现大数据量的通信，包括配置和发送接收数据的步骤。
  6. 多串口通信：将展示如何在 Air8101 核心板上实现多串口通信，包括配置和发送接收数据的步骤。

三、演示硬件环境

本文以 Air8101 核心板为例进行演示。可通过 淘宝 进行购买。

Air8101 核心板

  1. TYPE-C USB 数据线一根,Air8101 核心板通过 TYPE-C USB 口供电（核心板背面的功耗测试开关拨到 OFF 一端）；
  2. USB 转串口数据线一根,一般来说，白线连接开发板的 UART_TX，绿线连接开发板的 UART_RX，黑线连接开发板的 GND，另外一端连接电脑 USB 口；

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. 本demo开发测试时使用的固件为Air8101 V1006 版本固件，本demo对固件版本没有什么特殊要求，所以你如果要测试本demo时，可以直接使用最新版本的内核固件；如果发现最新版本的内核固件测试有问题，可以使用我们开发本demo时使用的内核固件版本来对比测试；

  3. 需要烧录的脚本和资源文件：

  4. 脚本和资源文件参考 https://gitee.com/openLuat/LuatOS/tree/master/module/Air8101/demo/uart 。

  5. 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；
  6. 准备好软件环境之后，接下来查看 Air8101 核心板使用说明,将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到 Air8101 核心板中。

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

  • 单串口,simple_uart 和 high_volume_uart 接串口 1
Air8101核心板
MCU或者串口板
11/u1tx
UART_RXD
12/u1rx
UART_TXD
GND
GND

  • 多串口,multiple_uart 接串口 1,串口 2

串口 2:

Air8101核心板
MCU或者串口板
73/VSY
UART_RXD
3/HSY
UART_TXD
GND
GND

串口 1:

Air8101核心板
MCU或者串口板
11/u1tx
UART_RXD
12/u1rx
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
)

6.1.2 多串口

本文以 UART1 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 = 8   -- 用于控制485收发转换的方向转换脚

-- 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
)

6.2 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)

使用 zbuff 接收数据：

local rxbuff = zbuff.create(10240) -- 接收数据的zbuff
local function uart_cb(id, len)  -- 串口接收数据回调函数
        while true do
            log.info("uart", "缓冲区", uart.rxSize(id))
            local len = uart.rx(id, rxbuff)
            if len <= 0 then
                break
            end
            log.info("uart", "receive", id, rxbuff:used(), rxbuff:toStr())
            rxbuff:seek(0)
        end
    end

6.3 注册数据发送完成的回调函数

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 数据发送完成时，该回调函数会被自动触发并执行。回调函数通过 uart.on(uartid1, "sent", function(id) ... end) 定义

local function uart_send_cb(id)
    log.info("uart", id , "数据发送完成回调")
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 单串口

7.1.1 接线展示

下方为 UART1 的接线图

7.1.2 运行结果展示

7.2 多串口

7.2.1 接线展示

7.2.2 运行结果展示

7.3 RS485 通信

8101 核心板暂无硬件演示环境，RS485 可参考780EPM-485 部分。

如果使用带自动转向功能的 485 转换芯片，直接使用本文 7.1 单串口部分的代码和示例即可

RS485 电路参考的原理图(具体参考 Air8101 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 = 8   -- 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
    )

7.4 单串口，大数据量收发

7.4.1 接线展示

下方为 UART1 的接线图

7.4.2 运行结果展示

七、总结

本文演示如何在 Air8101 核心板上实现 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。