通信协议篇三：USART 串口通信原理详解从帧结构示波器逻辑分析仪波形分析到代码原理

异步串口是嵌入式里最常见的通信方式之一。它硬件简单、成本低、调试方便，既能做日志输出，也能连接上位机、蓝牙、WiFi、GPS、4G 等外设。本文把 USART / UART 的核心概念、帧结构、采样机制、调试方法和实战代码压缩到一篇里，尽量做到好查、好记、好用。

1. USART 是什么

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是 MCU 常见的串行通信外设，用来完成 并行数据与串行比特流之间的转换，并负责设备之间按位发送与接收数据。

1.1 USART 和 UART 的区别

实际项目里如果只用了 TX / RX 两根信号线，通常就是在使用 异步串口。

1.2 基本连线规则

• TX：发送线
• RX：接收线
• GND：共地

连接原则：TX 接对方 RX，RX 接对方 TX，共地

1.3 常见物理层接口

常见转换芯片：

• USB ↔ 串口：CH340、CP2102
• TTL ↔ RS232：MAX3232、SP3232

1.4 为什么嵌入式里大量使用串口

• 硬件简单，成本低
• 外设支持广，几乎所有 MCU 都内置
• 适合调试输出和模块通信
• 使用门槛低，排查问题方便

常见用途：

• 调试日志输出
• 上位机通信
• 外设连接（蓝牙 / WiFi / GPS / 4G）
• BootLoader 下载
• 模块间通信

2. 异步串口的核心时序

2.1 一帧结构

异步串口的核心是：双方提前约定波特率，然后按固定节拍发送与采样。

一帧通常包含：

• 空闲位：高电平
• 起始位：1 bit，低电平
• 数据位：5~9 bit，常用 8 bit
• 校验位：可选
• 停止位：1 / 1.5 / 2 bit，高电平

空闲(1) → 起始位(0) → 数据位 → 校验位(可选) → 停止位(1)

2.2 为什么空闲是高电平

线路空闲时保持高电平，这样一旦出现 下降沿，接收端就能立即把它识别为起始位。

下降沿 = 一帧的起点

后续所有采样时刻，都是基于这个起点推导出来的。

2.3 校验位的作用

校验位本质上是 低成本检错手段，常见有：

• 奇校验
• 偶校验

例如偶校验要求：数据位中 1 的个数，加上校验位后必须是偶数。

2.4 停止位的作用

停止位有两个作用：

1. 告诉接收端这一帧结束了
2. 让线路回到高电平，为下一帧做缓冲

常见配置：

• 1 位停止位：默认、效率高
• 2 位停止位：更稳，但更慢

可以把停止位理解为 帧与帧之间的缓冲区。

2.5 最常见格式：8N1

8N1 是最常见的串口参数：

• 8 位数据位
• N：无校验
• 1 位停止位

空闲(1) → 起始位(0) → D0 → D1 → D2 → D3 → D4 → D5 → D6 → D7 → 停止位(1)

2.6 三个关键结论

• 数据位通常按 LSB 先发
• 接收采样点通常放在 位中心
• 两端波特率必须匹配，否则采样误差会逐位累积，最终出现乱码

常见波特率：

9600、19200、38400、57600、115200

在普通 UART/USART 二进制电平通信里，通常可近似认为：

波特率 ≈ 比特率

2.7 时间直觉

以 115200 波特率为例：

• 1 bit 时间约为：$1 / 115200 \approx 8.68\,\mu s$
• 1 帧（8N1，共 10 bit）时间约为：$86.8\,\mu s$

3. STM32 中使用 USART

3.1 三个最关键的状态标志

使用逻辑：

• 发送流程：优先看 TXE，最后确认 TC
• 接收流程：轮询或中断检测 RXNE，收到后及时读取

3.2 常见工作模式

3.3 HAL 库轮询收发示例

MX_USART1_UART_Init();
uint8_t receive;

while (1) {
    if (HAL_OK == HAL_UART_Receive(&huart1, &receive, 1, HAL_MAX_DELAY)) {
        receive = receive + 1;
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &receive, 1, 100);
    }
}

这段代码的逻辑很简单：

1. 一直等待接收 1 个字符
2. 收到后把字符值加 1
3. 再发回去

适合用来验证：

• 串口初始化是否正确
• 收发链路是否正常
• 上位机与单片机是否真正连通

4. MicroPython：ESP32-C3 使用硬件 UART

from machine import UART

uart = UART(1, baudrate=115200, tx=4, rx=5)

while True:
    if uart.any():
        recv = uart.read(1).decode()
        num = ord(recv)
        num += 1
        uart.write(chr(num))
        print(f"接收到{recv},发送回{chr(num)}")

代码逻辑：

• 用 UART(1) 初始化串口
• 若串口缓冲区有数据，就读取 1 字节
• 将字符转成 ASCII 数值后加 1
• 再把新字符发回去

5. 串口波形与协议分析

5.1 逻辑分析仪适合看什么

逻辑分析仪更适合看 数字协议和字节解码。

空闲(1) | 起始位(0) | 数据位（D0-D7） | 校验位(可选) | 停止位(1)

观察重点：

• 空闲时是否保持高电平
• 是否存在明确的起始位下降沿
• 每一位宽度是否基本一致
• 协议解码参数是否正确

建议重点核对：

• Baud rate = 115200
• Data bits = 8
• Parity = none
• Stop bits = 1
• 是否反相
• 是否按 LSB first 发送

5.2 示波器适合看什么

示波器更适合分析 波形质量与时序细节。

观察重点：

• 位宽是否准确
• 起始位是否正确拉低
• 停止位是否回到高电平
• 边沿是否干净
• 是否有毛刺、过冲、振铃、抖动

以 115200 波特率为例，常用观察思路：

• 先用 10 us/div 左右的时基
• 使用 下降沿触发 抓起始位
• 再用游标测 1 bit 的宽度，反推实际波特率

5.3 逻辑分析仪 vs 示波器

6. GPIO 模拟串口（Bit-Bang）

6.1 MicroPython：GPIO 模拟发送

from machine import Pin
import utime

TX = Pin(2, Pin.OUT, value=1)
BAUD = 9600
BIT_US = int(1_000_000 / BAUD)

def uart_send_byte(data):
    TX.value(0)
    utime.sleep_us(BIT_US)

    for i in range(8):
        TX.value((data >> i) & 0x01)
        utime.sleep_us(BIT_US)

    TX.value(1)
    utime.sleep_us(BIT_US)

def uart_send_string(s):
    for ch in s:
        uart_send_byte(ord(ch))

uart_send_string("Hello\r\n")

发送逻辑：

• 先输出 1 bit 低电平作为起始位
• 再按 LSB first 发送 8 位数据
• 最后输出高电平作为停止位

6.2 MicroPython：GPIO 模拟接收

from machine import Pin
import utime

RX = Pin(3, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
BAUD = 9600
BIT_US = int(1_000_000 / BAUD)

def uart_recv_byte():
    while RX.value() == 1:
        pass

    utime.sleep_us(BIT_US + BIT_US // 2)

    value = 0
    for i in range(8):
        bit = RX.value()
        value |= (bit << i)
        utime.sleep_us(BIT_US)

    stop_bit = RX.value()
    return value, stop_bit

while True:
    data, stop = uart_recv_byte()
    print("recv:", data, chr(data), "stop:", stop)

接收逻辑：

• 一直等 RX 从高变低，识别起始位
• 延时到第 1 位数据的中心位置
• 每隔 1 bit 周期采样一次
• 最后可顺带读一下停止位

6.3 软件模拟串口的本质

软件模拟串口本质上就是：

• 手动检测起始位
• 手动延时对齐到位中心
• 再按固定节拍逐位采样

因此它对以下问题非常敏感：

• 延时误差
• 中断打断
• CPU 调度抖动
• 波特率偏高导致时序来不及

如果误差过大，就会出现：

• 丢位
• 错位
• 乱码

7. 串口采样机制与误差来源

7.1 为什么要在位中心采样

异步串口没有共享时钟，接收端只能在检测到起始位后，用自己的时钟估算后续每一位的采样时刻。之所以总强调“位中心采样”，是因为位中心离前后边沿最远，最不容易受到 边沿延迟、噪声抖动和双方时钟误差 的影响。

7.2 起始位后的采样流程

接收过程可以理解为：先对齐，再按节奏取样。

• 线路空闲时保持高电平
• 当 RX 从高变低时，接收端认为可能出现了起始位
• 先延时约半个 bit 到一个 bit，把采样点对齐到位中心附近
• 之后每隔 1 个 bit 周期采样一次

检测到下降沿 → 对齐起始位 → 每隔 1 bit 在中心采样一次

7.3 过采样

很多硬件 UART 并不是只在理论采样点“看一眼”，而是使用 过采样，常见有：

• 8 倍过采样
• 16 倍过采样

这样做的好处：

• 更容易定位位中心
• 抗短时噪声能力更强
• 接收稳定性更高

可以粗略理解为：

• 16 倍过采样更稳
• 8 倍过采样更容易支持高波特率

7.4 为什么波特率误差会导致乱码

最麻烦的地方不是“偶尔采错一次”，而是 误差会持续累积。

如果发送端和接收端的实际 bit 宽度略有偏差，那么：

• 第 1 位时采样点可能只偏一点
• 第 2 位时继续偏
• 第 3 位再偏
• 到后面几位时，采样点可能已经接近位边界

这时只要再叠加一点噪声或抖动，就可能采到相邻位，于是出现乱码、错位或校验错误。

7.5 常见误差来源

这些问题最终都会反映到波形质量和采样稳定性上，比如：

• 位宽不稳
• 边沿发虚
• 噪声变大
• 解码失败

7.6 实际排查建议

推荐按下面顺序排查：

1. 先确认两端参数是否一致：baud rate / data bits / parity / stop bits
2. 再确认连线是否正确：TX 接 RX、RX 接 TX、GND 共地
3. 再确认电平标准是否匹配：TTL、RS232 还是 RS485
4. 若仍有问题，先降低波特率再试
5. 用逻辑分析仪看协议解码结果
6. 必要时用示波器看位宽、边沿、毛刺、噪声和过冲
7. 若怀疑时钟问题，再检查晶振、时钟源或校准配置

延伸阅读

1.嵌入式通信协议UART、I2C 、SPI、CAN、Modbus总线协议区别