串行通信如何在Arduino上工作？
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异步串行（通常称为串行）通信用于将字节从一台设备发送到另一台设备。设备可以是以下一项或多项：
- Arduino的
- 个人电脑
- 全球定位系统
- RFID读卡器
- 液晶显示器
- 调制解调器
- 其他
时钟速率和数据采样
与SPI / USB / I2C不同，串行通信没有时钟信号。采样时钟是商定的采样率（称为波特率）。发送方和接收方都必须配置为使用相同的速率，否则接收方将接收到无意义的数据（由于未以与发送时相同的速率对位进行采样）。
传输是异步的，这基本上意味着可以在任何时间发送字节，并且字节之间的间隙可以变化。此图说明了正在发送的单个字节：
上图显示了正在发送的字母“ F”。在ASCII中，它是0x46（十六进制）或0b01000110（二进制）。所述至少显著（低位）位首先传输，从而在上述图形你看到的顺序到达的位：01100010。
字节之间的“空闲”时间以连续的“ 1”位发送（有效地，发送线连续保持高电平）。
为了指示字节的开始，总是通过将线拉低来指示开始位，如图所示。接收器看到起始位后，将等待1.5倍的采样时间，然后对数据位进行采样。它等待1.5次，因此：
- 跳过起始位
- 采样到下一位的一半
例如，如果波特率为9600波特，则采样率将为1/9600 = 0.00010416秒（104.16 µs）。
因此，在9600波特下，接收器在接收到起始位后等待156.25 µs，然后每104.16 µs采样一次。
停止位的目的是确保每个字节之间肯定有1位。没有停止位，如果一个字节以零结尾，那么硬件将无法分辨该位与下一个字节的起始位之间的差异。
要在Uno上产生以上输出，您可以编写以下代码：
void setup()
{
Serial.begin(9600);
Serial.print("F");
}
void loop ()
{
}数据位数
为了节省传输时间（以前是heh），允许您指定不同数量的数据位。AtMega硬件支持从5到9的数据位编号。显然，数据位越少，您可以发送的信息就越少，但速度越快。
奇偶校验位
您可以选择具有奇偶校验位。如果需要，可以通过计算字符中1的数量，然后根据需要将奇偶校验位设置为0或1来确保该数字为奇数或偶数来计算该值。
例如，对于字母“ F”（或0x46或0b01000110），您可以看到那里有3个（在01000110中）。因此，我们已经有了奇偶校验。因此，奇偶校验位将如下所示：
- 无奇偶校验：省略
- 偶数奇偶校验：1（3 +1是偶数）
- 奇校验：0（3 + 0为奇数）
奇偶校验位（如果存在）出现在最后一个数据位之后但在停止位之前。
如果接收器没有获得正确的奇偶校验位，则称为“奇偶校验错误”。这表明存在一些问题。可能将发送方和接收方配置为使用不同的波特率，或者线路上出现了噪声，将零变为零，反之亦然。
一些早期的系统还使用“标记”奇偶校验（其中，奇偶校验位始终与数据无关，始终为1）或“空间”奇偶校验（其中，奇偶校验位与数据无关，始终为0）。
9位传输
某些通信设备使用9位数据，因此在这些情况下，奇偶校验位变为第9位。发送第9位有特殊的技术（寄存器是8位寄存器，因此第9位必须放在其他位置）。
停止位数
早期的设备在电子方面趋向于变慢，因此为了给接收者一些时间来处理传入的字节，有时会指定发送者将发送两个停止位。从根本上来说，这将增加更多的时间，在此位置数据线保持高电平（一个位的时间）之后，下一个起始位才能出现。这个额外的位时间使接收器有时间处理最后一个输入字节。
如果在假定停止位时接收器未获得逻辑1，则称为“成帧错误”。这表明存在一些问题。发送方和接收方很可能配置为使用不同的波特率。
符号
通常，串行通信通过告诉您速度，数据位数，奇偶校验类型和停止位数来表示，如下所示：
9600/8-N-1这是在告诉我们：
- 每秒9600位
- 8个数据位
- 无奇偶校验（您可能会看到：E =偶数，O =奇数）
- 1个停止位
发送者和接收者就上述达成一致非常重要，否则通信不太可能成功。
引脚排列
Arduino Uno具有用于硬件串行的数字引脚0和1：
要连接两个Arduino，您需要像这样交换 Tx和Rx：
速度
支持多种速度（请参见下图）。“标准”速度通常是300波特的倍数（例如300/600/1200/2400等）。
可以通过设置适当的寄存器来处理其他“非标准”速度。HardwareSerial类为您执行此操作。例如。
Serial.begin (115200); // set speed to 115200 baud根据经验法则，假设您使用的是8位数据，则可以通过将波特率除以10（由于起始位和停止位）来估计每秒可以传输的字节数。
因此，在9600波特下，您可以9600 / 10 = 960每秒传输960字节（）。
波特率错误
通过对系统时钟进行分频，然后向上计数至预设数字，可以生成Atmega的波特率。数据表中的此表显示了16 MHz时钟（例如Arduino Uno上的时钟）的寄存器值和错误百分比。
U2Xn位影响时钟速率除数（0 =除以16，1 =除以8）。UBRRn寄存器包含处理器计数的数字。
因此，从上表可以看出，我们从16 MHz时钟中获得了9600波特，如下所示：
16000000 / 16 / 104 = 9615我们除以104而不是103，因为计数器是零相关的。因此，这里的误差15 / 9600 = 0.0016接近上表的误差（0.02％）。
您会注意到某些波特率的错误量比其他波特率高。
根据数据手册，8个数据位的最大错误百分比在1.5％至2.0％的范围内（更多信息请参见数据手册）。
Arduino的莱昂纳多
Arduino Leonardo和Micro具有不同的串行通信方法，因为它们直接通过USB连接到主机，而不是通过串行端口。
因此，您必须等待串行变为“就绪”状态（因为软件会建立USB连接），需要额外的几行，如下所示：
void setup()
{
Serial.begin(115200);
while (!Serial)
{} // wait for Serial comms to become ready
Serial.print("Fab");
}
void loop ()
{
}但是，如果您想通过D0和D1引脚（而不是通过USB电缆）进行实际通信，则需要使用Serial1而不是Serial。您是这样的：
void setup()
{
Serial1.begin(115200);
Serial1.print("Fab");
}
void loop ()
{
}电压等级
请注意，Arduino使用TTL电平进行串行通信。这意味着它期望：
- “零”位为0V
- “ 1”位是+ 5V
设计用于插入PC串行端口的较旧的串行设备可能使用RS232电压电平，即：
- “零”位为+3至+15伏
- “一位”位是-3至-15伏
不仅是相对于TTL电平的这种“反转”（“ 1”比“ 0”更负），Arduino无法处理其输入引脚上的负电压（也不能处理大于5V的正电压）。
因此，您需要一个用于与此类设备通信的接口电路。仅对于输入（到Arduino），一个简单的晶体管，二极管和几个电阻就可以做到：
对于双向通信，您需要能够产生负电压，因此需要更复杂的电路。例如，MAX232芯片将与四个1 µF电容器一起用作电荷泵电路。
软件序列号
有一个名为SoftwareSerial的库，它使您可以在软件而非硬件中进行串行通信（最大程度）。这样的好处是您可以将不同的引脚配置用于串行通信。缺点是在软件中进行串行处理会占用更多的处理器资源，并且更容易出错。有关更多详细信息，请参见软件序列。
Mega2560
Arduino“ Mega”具有3个附加的硬件串行端口。它们在板上标记为Tx1 / Rx1，Tx2 / Rx2，Tx3 / Rx3。如果可能，应优先于SoftwareSerial使用它们。要打开其他端口，请使用名称Serial1，Serial2，Serial3，如下所示：
Serial1.begin (115200); // start hardware serial port Tx1/Rx1
Serial2.begin (115200); // start hardware serial port Tx2/Rx2
Serial3.begin (115200); // start hardware serial port Tx3/Rx3中断
使用HardwareSerial库发送和接收都使用中断。
正在发送
当您执行时Serial.print，尝试打印的数据将放置在内部“发送”缓冲区中。如果您具有1024字节或更多的RAM（例如Uno），则将获得64字节的缓冲区，否则将获得16字节的缓冲区。如果缓冲区有空间，则Serial.print立即返回，因此不会延迟您的代码。如果没有空间，则它“阻塞”，等待清空缓冲区足以容纳空间。
然后，随着硬件发送每个字节，将调用一个中断（“ USART，数据寄存器为空”中断），并且中断例程将缓冲区中的下一个字节发送到串行端口之外。
接收
当接收到输入数据时，将调用一个中断例程（“ USART Rx完成”中断），并将输入字节放入“接收”缓冲区（与上述发送缓冲区的大小相同）。
调用时，Serial.available您会发现该“接收”缓冲区中有多少字节可用。调用时，Serial.read将从接收缓冲区中删除一个字节并返回到您的代码。
在具有1000字节或更多字节RAM的Arduino上，只要您不让它填满，就不会急于从接收缓冲区中删除数据。如果已填满，则将丢弃任何其他传入数据。
请注意，由于此缓冲区的大小，等待大量字节到达毫无意义，例如：
while (Serial.available () < 200)
{ } // wait for 200 bytes to arrive这将永远无法工作，因为缓冲区无法容纳那么多缓冲区。
提示
读取之前，请务必确保数据可用。例如，这是错误的：
if (Serial.available ()) { char a = Serial.read (); char b = Serial.read (); // may not be available }该
Serial.available测试仅确保您有一个字节可用，但是代码尝试读取两个字节。如果缓冲区中有两个字节，它可能会起作用，如果没有，您将得到-1的返回值，如果打印出来，它将看起来像“ÿ”。请注意发送数据需要多长时间。如上所述，在9600波特下，您每秒仅传输960字节，因此尝试以9600波特从模拟端口发送1000读数将不会非常成功。