USB转串口那些事儿-串口调试常见问题和排查方法
串口UART作为嵌入式应用和通讯领域中最常用的接口之一，接口协议虽然简单，但在实际应用中不同设备之间的通讯也会存在各种小问题，下面对使用中各种常见的问题做下总结和梳理，可作为调试参考。串口可分为异步串口（UART）和同步串口（USART），后者多出时钟信号线用作通讯时信号同步。本偏仅介绍异步串口。
一、串口通信常见问题
串口通信乱码
串口通讯乱码通常是指接收方接收到的数据不符合预期，出现此情况时需要考虑的因素通常包含以下几个方面：
双方设定的串口参数是否匹配，需检查设置的：串口波特率、串口数据格式等参数。串口通讯电压不匹配，不同的串口设备接收可正常进行解码的高低电平门限不同，如同样是3.3V串口通讯，A设备低电平门限1.5V，B设备低电平门限1V。当实际串口电压低电平只有1.5V时，B设备无法正常接收数据。又如：A设备为5V串口，B设备为3.3V串口，同样有电压不匹配的问题。串口通讯实际工作波特率误差较大，即：串口工作实际波特率和理论值偏差较大，因一些MCU和串口设备所用时钟为了兼顾其他资源和应用需要，实际工作的串口速率和设定会有偏差。比如：标称为9600bps时，实际工作在了10000bps（误差超过4%），此时可能已经超出接收方的设计标准。串口通讯信号质量差，如通讯时信号上升下降抖动严重，信号有过冲或者变化比较迟缓，此时检查硬件上共地是否良好，以及线路上有无串接/并联其他器件导致。数据格式显示问题，通常使用十六进制或ASCII码格式居多，使用时需要区分。
串口无法发送
串口无法发送通常是指与此串口的TXD连接的对端设备RXD通道接收不到任何数据，总结如下：
使用仪器对TXD通道进行实际测量，观察硬件波形，确定信号是否有输出以及是否正常。（串口电压、串口信号上升下降时间）短接设备的TXD和RXD通道回环测试，看自收发是否可以成功。排除是自身设备异常还是对端异常。确定应用软件是否打开串口硬件流控，如当启用RTS/CTS硬件流控后但实际该引脚并没有连接或连接但不生效时，按照协议规定，CTS输入无效则发送方暂停发送数据。MCU软件编码问题或计算机端软件工作异常。
串口无法接收
当串口接收不到任何数据的原因通常如下：
对端串口实际未能成功发送数据。串口发送有效电压不满足芯片接收解码要求。MCU软件编码问题或计算机端软件工作异常。
二、常用的排查小技巧
对于以上的常见串口调试问题，有以下几个方法和技巧可供参考使用。
使用硬件仪器
善于使用示波器等硬件采集或分析工具查找问题，用此方法可以确定线路上信号的串口电压、串口数据格式、串口通信波特率等参数。
串口Loopback检测
当手头没有硬件仪器时，将设备自身的TXD和RXD短接起来进行自收发测试也是一个不错的选择，此方式可以简单确认硬件通路和整个逻辑是否是打通的。但缺点是定位问题不够精准。
更换串口调试软件
计算机端串口软件种类较多，不排除一些设备或驱动软件没法成功适配所有的串口调试软件，此时可尝试多使用几款不同的软件对比测试。
三、串口通信基础
当两个设备使用UART进行通信时，它们至少通过三根导线连接：TXD串口发送、RXD串口接收、GND。串口设备通过改变TXD信号线上的电压来发送数据，接收端通过检测RXD线上的电压来读取数据。
什么是串口通信
计算机一次传输信息（数据）一位或多个比特位。串行是指传输数据一次只传输一位。当进行串口通信时发送或者接收的每个字（即字节或字符）一次发送一位。每一位都是逻辑‘1’或者‘0’。也用Mark表示逻辑1，Space表示逻辑0。
串口数据速率使用 bits-per-second ("bps") 或者 baud rate ("baud")。这表示一秒内可以传输多少逻辑1和0。当波特率超过 1000，你会经常看到用Kbps表示的速率。对于超过 1000000 的速率一般用Mbps 来表示。
TTL串口
实际应用中，使用TTL电平逐渐成为趋势，在MCU与串口转接芯片提供的串口中比较常见，此时逻辑1电压值：+5V或+3.3V等，逻辑0电压值：0V（逻辑地）。
RS-232串口
RS-232 是由 EIA 定义的用于串口通信的标准电气接口。RS-232 实际上有三种不同的类型（A，B和C），每一种对于逻辑1和逻辑0，电平定义了不同的电压范围。最常用的种类是 RS-232C，它定义逻辑1电压范围：-3V~-12V 和逻辑0电压范围：+3V~+12V。
下面列举最为常见的 DB-9 接口分布图，引脚和功能描述如下所示：
其他还有RS-422以及 RS-485 串口标准。RS-422 使用更低电压与差分信号允许线缆长达 1000英尺（300m）。
常用串口信号定义
GND – 逻辑地
从技术上讲，逻辑接地不是信号，但没有它，其他信号就不能工作。从根本上说，逻辑地充当一个参考电压，从而知道哪些电压为正或负。
TXD – 发送数据
RXD – 接收数据
RTS – 请求发送
RTS设置为逻辑0电平表示己方准备好接收数据。一般与CTS一起用于串口流控，通常被设置为默认有效状态。
除流控功能外，RTS也可用作通用输出信号，输出高低电平。常用于单片机复位或串口下载电路。
CTS – 清除发送
CTS信号接收自串口线缆的另一端。信号线逻辑0电平表示己方可以发送数据。一般与RTS一起用于串口数据流控。
DTR – 数据终端就绪
DTR 信号用于通知对端计算机或设备己方已就绪（逻辑0电平）或未就绪（逻辑1电平）。DTR也可用作通用输出信号，输出高低电平。常用于单片机复位或串口下载电路。
串口波特率
波特率是指串口每秒钟传输的bit总数，如：9600波特率。表示1s传输9600个比特。1个比特所需时间为：1/9600 ≈ 0.104ms
串口异步通信
解析串口数据需要确定一个字符的结束与下一个字符的开始。
串口数据线空闲时保持在逻辑1状态直到有字符发送。每个字节起始位在前，字节的每一位紧随其后，一位可选校验位以及一位或者两位停止位。起始位始终是逻辑0，通知对方有新串口数据可用。数据可以同时发送和接收，因此称为“异步”。
偶校验：数据位加上校验位中的“1”的个数保持为偶数。
奇校验：数据位加上校验位中的“1”的个数保持为奇数。
空白校验：也称Space校验，校验位永远是0。
标志校验：也称Mark校验，校验位永远是1。
无校验：没有校验位存在或被传输。
剩下的位称作停止位。在字符之间可能会有 1，1.5 或者 2 位停止位并且这些位总为 1。异步数据格式通常表达成“8N1”，“7E1”等。
什么是全双工和半双工
全双工是指设备可以同时发送和接收数据，有两个独立数据通道（一路输入，一路输出）。
半双工是指设备不能同时发送和接收数据，这通常意味着只有一路可以通讯，如RS485串口。
串口流控
在两个串口设备间传输数据时经常有必要进行数据流控。这可能是受到中间串口通信线路、其中一个设备或者其他存储介质的限制。异步数据流控通常使用的有两种方法。
第一种方法通常称为“软件”流控，使用特殊字符开始（XON or DC1）或者停止（XOFF or DC3）数据流。这些字符定义参见 ASCII 码表。这些码值在传输文本信息时很有用，但不能在未经特殊编程时用于传输其他类型的信息。
第二种方法称作“硬件”流控，使用RTS和CTS信号线取代特殊字符。当接收方准备好接收数据时会将RTS置为逻辑0以请求对方发送数据，当未准备好时置为逻辑1，因此发送方会通过检测 CTS 电平状态判断是否可以发送数据。
使用硬件流控至少需要连接的信号线有GND、RXD、TXD、RTS、CTS。
使用软件流控只需要GND、RXD、TXD。
Break信号
通常情况下收发数据信号线保持在逻辑1状态直到传输一个新字节。如果信号拉低至逻辑0一段时间（各平台定义不同，通常是 1/4 到 1/2 秒）那么就说一个 break 条件满足。一个break信号有时用于复位通讯或者改变通讯硬件的操作模式，如MODEM。
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以上为串口使用经常遇到的问题和调试技巧，欢迎工程师讨论补充~
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