串口通讯原理与实战：ASCII码、数据帧及波特率详解

微控制器与电脑之间的数据传输，通常采用串行通讯方式。

这种通讯方式的硬件连接非常简单，仅需三根线：

• TX（发送）： 微控制器的发送端，连接电脑的接收端。
• RX（接收）： 电脑的发送端，连接微控制器的接收端。
• GND（地线）： 提供公共的参考电平。

当我们通过微控制器向电脑发送数据时，数据经由TX线传输。例如，发送大写字母“A”，那么在TX线上实际传输的是什么呢？

通过示波器捕获的波形如下：

上图展示了一帧完整的串行数据，共10位，从左至右依次发送：

• 第1位（起始位）： 恒为低电平（逻辑0），标志着数据帧的开始。
• 第2-9位（数据位）： 8位二进制数据，代表要传输的实际信息。
• 第10位（停止位）： 恒为高电平（逻辑1），标志着数据帧的结束。

在二进制中，数据位的权重从低位到高位依次是1、2、4、8……128。根据捕获的“A”的波形，将有效数据位的值相加：1+0+0+0+0+0+0+64 = 65。

数字65与字母“A”有何关联？这需要查询ASCII码表。在标准ASCII码表中，十进制值65对应大写字母“A”。

同理，若要发送字母“B”，微控制器则需要发送数值66。因此，我们只需根据ASCII码表将要发送的字符转换为对应数值，再由微控制器转换为特定的高低电平序列即可。

然而，发送这些电平并非任意速率进行，必须遵循严格的时间间隔。这个时间间隔由 波特率（Baud Rate） 决定。常见的波特率是9600，意指每秒传输9600个二进制位（比特）。由此可计算出每比特的持续时间：

• 1 bit时间 = 1 / 9600 秒 ≈ 104.1667 微秒 ≈ 0.1毫秒。

通信双方（发送端与接收端）必须设定相同的波特率，接收方才能以正确的时序解析数据，这是所有底层通信协议协同工作的基础。若波特率不匹配，将导致数据解析错乱。

因此，若以9600波特率发送数据“66”（B），就必须每隔约104微秒改变一次TX线的电平状态。如需提高传输速度，可选用更高的波特率，如115200。此时，每比特时间缩短至约8.68微秒，速度提升十多倍。

串口通讯的数据帧结构详解

一帧标准的数据通常包含以下部分（以最常见的8N1格式为例）：

1. 起始位（Start Bit）： 1位逻辑0。用于同步接收时钟，标志字符传输开始。
2. 数据位（Data Bits）： 紧接起始位之后，是通讯的有效信息主体，通常为5-9位（常用8位）。传输顺序为先低位（LSB），后高位（MSB）。
3. 奇偶校验位（Parity Bit）： 可选位，占1位。用于简单的错误检测（奇校验或偶校验）。
4. 停止位（Stop Bit(s)）： 1位、1.5位或2位的逻辑1。标志一个字符传输的结束。
5. 空闲位（Idle）： 在停止位之后，下一个起始位之前，线路保持逻辑1高电平，表示空闲状态。

在实际开发中，我们无需手动计算时间间隔和电平序列。以常见开发板为例，发送大写字母“C”的程序极其简单：在初始化阶段设置好波特率，然后直接调用send(‘C’)之类的函数即可。

库函数封装了所有底层细节：它根据ASCII码将‘C’转换为数值67，再按照设定的波特率，自动生成包含起始位、数据位、停止位的完整电平序列，并严格按时序通过TX线发送出去。这就是串口通讯的本质——无论上层API如何简化，最终在物理线缆上传输的，永远是严格按照时序和帧结构组织的高低电平脉冲。