UART数据波形分析

　　通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通常称作UART，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。

　　具体实物表现为独立的模块化芯片，或作为集成于微处理器中的周边设备。一般是RS-232C规格的，与类似Maxim的MAX232之类的标准信号幅度变换芯片进行搭配，作为连接外部设备的接口。在UART上追加同步方式的序列信号变换电路的产品，被称为USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter）。

　　计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO（First Input First Output，先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。它是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。

　　作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备）。可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。

　　经常遇到初学者，对单片机串行通讯出了问题不知道如何办的情况。其实最有效的调试方法是用示波器观察收发数据的波形。本文通过对异步串行数据格式的分析，阐述通过波形分析方法调试UART数据收发的原理和方法。通过观察波形可以确定以下情况：

　　1. 是否有数据接收或发送；

　　2. 数据是否正确；

　　3. 波特率是否正确

　　一、 串行数据的格式

　　异步串行数据的一般格式是：起始位+数据位+停止位，其中起始位1 位，数据位可以是5、6、7、8位，停止位可以是1、1.5、2位。

　　起始位是一个值为0的位，所以对于正逻辑的TTL电平，起始位是一位时间的低电平；停止位是值为1的位，所以对于正逻辑的TTL电平，停止位是高电平。对于负逻辑（如RS-232电平）则相反。

　　例如，对于16进制数据55aaH，当采用8位数据位、1位停止位传输时，它在信号线上的波形如图1（TTL电平）和图2（RS-232电平）所示：

　　

　　

　　二、 根据波形图计算波特率

　　如图3是图1在示波器中的显示示意，其中灰色线是示波器的时间分度线，此时假设是200ms/格。

　　

　　可以看了，第一个字节的10位（1位起始位，8位数据位和1位停止位）共占约1.05ms，这样可计算出其波特率约为：10bit / 1.05ms X 1000 ≈ 9600 bit/s

　　如果上图中的时间轴是100ms/格，同样可以计算出波特率应是19200bit/s。

　　当通讯不正常，又能观察到波形时，就可根据上述方法，从波形图计算一下波特率是否正确。

　　三、 根据波形图判断RS-485收发数据的正确与否

　　RS-485是一种半双工的串行通讯方式，485电平芯片所以要正确接收和发送数据，必需保证控制信号和数据的同步，否则要么发送数据丢失，要么接收数据可能丢失。

　　RS-485发送数据时的正确时序如图4所示。

　　

　　在图4中，发送控制信号的宽度基本与数据信号的宽度一致，所以能保证发送数据的正确和发送后及时转为接收。

　　图5 和图6 分别是控制信号太短和控制信号太长的情况。

　　

　　

　　在图5中，由于控制信号关闭过早，则第二个字节的后两位将发送错误；在图6中，由于控制信号关闭过迟，使485芯片在发送数据后，不能及时转到接收状态，此时总线若有数据过来，则本单元将不能正确接收。

　　总结：只要掌握上述波形分析方法，任何异步串行数据的接收和发送问题，基本都可以得到解决。