UART作為嵌入式系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的串行通訊協(xié)議，常規(guī)模式下需通過(guò)TX(發(fā)送線)、RX(接收線)兩根信號(hào)線實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，搭配GND完成信號(hào)參考，這種雙線設(shè)計(jì)能確保數(shù)據(jù)收發(fā)互不干擾，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。但在諸多場(chǎng)景中，受限于設(shè)備接口數(shù)量、布線空間或成本控制，需將TX與RX線合并為單根線進(jìn)行通訊，此時(shí)如何高效分離單根線上的收發(fā)數(shù)據(jù)、避免信號(hào)沖突，成為保障通訊穩(wěn)定性的核心難題。單根線UART通訊本質(zhì)是半雙工傳輸，通過(guò)時(shí)間片同步、硬件電路適配及軟件協(xié)議解析，可實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的有效分離，適配不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

單根線UART通訊的核心痛點(diǎn)的是，單根傳輸線既承擔(dān)數(shù)據(jù)發(fā)送功能，又承擔(dān)數(shù)據(jù)接收功能，通訊雙方發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)疊加在同一根線上，若不采取有效措施，極易出現(xiàn)信號(hào)沖突，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤判或丟失。同時(shí)，通訊雙方在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自身也會(huì)接收到自身發(fā)送的數(shù)據(jù)，如何區(qū)分自身發(fā)送數(shù)據(jù)與對(duì)方發(fā)送數(shù)據(jù)，也是數(shù)據(jù)分離的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分離，需從硬件電路改造、軟件協(xié)議優(yōu)化兩大維度入手，結(jié)合通訊機(jī)制設(shè)計(jì)，構(gòu)建可靠的分離方案，兼顧實(shí)用性與穩(wěn)定性。

硬件電路改造是單根線UART數(shù)據(jù)分離的基礎(chǔ)，其核心目的是實(shí)現(xiàn)TX與RX信號(hào)的復(fù)用與隔離，確保通訊雙方能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)，同時(shí)避免信號(hào)沖突。常用的硬件改造方案有兩種，分別是三極管+MOS管組合電路與開(kāi)漏輸出電路，兩種方案各有適配場(chǎng)景，可根據(jù)設(shè)備需求靈活選擇。三極管+MOS管組合電路通過(guò)電平轉(zhuǎn)換與信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)MCU的TX與RX引腳與單根傳輸線的連接，該電路包含TX隔離及電平轉(zhuǎn)換電路與RX隔離及電平轉(zhuǎn)換電路兩部分，其中TX隔離電路采用兩只NPN三極管搭建，實(shí)現(xiàn)MCU TX信號(hào)的放大與電平轉(zhuǎn)換，RX隔離電路采用MOS管搭建，實(shí)現(xiàn)單根線上的信號(hào)接收與隔離，同時(shí)通過(guò)電阻匹配確保通信時(shí)達(dá)到有效高、低電平。

在實(shí)際搭建中，三極管可選用MMBT3904型號(hào)，MOS管選用2N7002型號(hào)，電阻阻值需根據(jù)供電電壓合理匹配，通常限流電阻選用1KΩ，上拉電阻選用10KΩ，確保信號(hào)切換的快速性與穩(wěn)定性。開(kāi)漏輸出電路則適用于低速通訊場(chǎng)景，通過(guò)將通訊雙方的TX引腳配置為開(kāi)漏輸出模式，外接上拉電阻至電源，實(shí)現(xiàn)單根線的復(fù)用，這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，無(wú)需復(fù)雜的三極管與MOS管組合，僅需通過(guò)電阻匹配即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，但傳輸速率較低，且抗干擾能力較弱，適合短距離、低速率的通訊場(chǎng)景。無(wú)論采用哪種硬件方案，都需確保TX引腳能夠支持“串行輸出”和“輸入高阻”兩種狀態(tài)的快速切換，在串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為“串行輸出”，發(fā)送完成后立即切換成“輸入高阻”釋放總線，避免占用總線導(dǎo)致對(duì)方無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)。

軟件協(xié)議解析是單根線UART數(shù)據(jù)分離的核心，其核心邏輯是通過(guò)協(xié)議約定，區(qū)分單根線上的有效數(shù)據(jù)與無(wú)效數(shù)據(jù)、自身發(fā)送數(shù)據(jù)與對(duì)方發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分離與解析。軟件分離方案需基于半雙工通訊機(jī)制，結(jié)合幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、時(shí)間片同步、校驗(yàn)機(jī)制三大核心要素，確保數(shù)據(jù)分離的準(zhǔn)確性與可靠性。幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，需提前約定通訊幀的組成格式，通常包含同步字、起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、結(jié)束位及發(fā)送者編號(hào)，其中發(fā)送者編號(hào)是區(qū)分自身與對(duì)方數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，通過(guò)為通訊雙方分配唯一的編號(hào)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)攜帶編號(hào)信息，接收數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)識(shí)別編號(hào)，判斷數(shù)據(jù)來(lái)源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分離。

時(shí)間片同步機(jī)制用于避免通訊雙方同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致的信號(hào)沖突，通過(guò)約定雙方的發(fā)送時(shí)間窗口，確保同一時(shí)間只有一方占用總線發(fā)送數(shù)據(jù)，這種機(jī)制通常結(jié)合定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，通訊雙方按照約定的時(shí)間間隔交替發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后立即釋放總線，進(jìn)入接收狀態(tài)。校驗(yàn)機(jī)制則用于確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，常用的校?yàn)方式有CRC校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)兩種，其中CRC校驗(yàn)的抗干擾能力更強(qiáng)，適用于高速、遠(yuǎn)距離通訊場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC計(jì)算，將校驗(yàn)值攜帶在幀尾，接收方接收數(shù)據(jù)后重新計(jì)算CRC值，與幀尾的校驗(yàn)值對(duì)比，若一致則為有效數(shù)據(jù)，否則為無(wú)效數(shù)據(jù)，丟棄該幀數(shù)據(jù)。

在實(shí)際軟件開(kāi)發(fā)中，可采用中斷驅(qū)動(dòng)+環(huán)形緩沖區(qū)的方式，提升數(shù)據(jù)處理效率，避免數(shù)據(jù)丟失。中斷服務(wù)函數(shù)作為數(shù)據(jù)接收的“生產(chǎn)者”，負(fù)責(zé)接收單根線上的原始數(shù)據(jù)，不進(jìn)行復(fù)雜邏輯處理，僅將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至環(huán)形緩沖區(qū)，并發(fā)送信號(hào)喚醒協(xié)議處理任務(wù);協(xié)議處理任務(wù)作為“消費(fèi)者”，優(yōu)先級(jí)高于其他業(yè)務(wù)任務(wù)，被中斷服務(wù)函數(shù)喚醒后，從環(huán)形緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)解析幀結(jié)構(gòu)、識(shí)別發(fā)送者編號(hào)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分離與處理。對(duì)于采用RTOS架構(gòu)的系統(tǒng)，還需引入互斥鎖機(jī)制，保護(hù)總線這一臨界資源，避免多個(gè)任務(wù)同時(shí)發(fā)起發(fā)送請(qǐng)求導(dǎo)致的信號(hào)沖突，同時(shí)采用“零拷貝”設(shè)計(jì)，通過(guò)傳遞數(shù)據(jù)指針的方式，減少內(nèi)存拷貝，提升內(nèi)存利用效率，適配資源受限的MCU設(shè)備。

除了硬件改造與軟件解析，實(shí)操中的注意事項(xiàng)也直接影響數(shù)據(jù)分離的效果，需重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)方面。一是總線匹配，單根線UART通訊的傳輸距離較短，通常不超過(guò)10米，若需延長(zhǎng)傳輸距離，需在總線兩端添加終端匹配電阻，減少信號(hào)反射，同時(shí)選用屏蔽線作為傳輸線，降低外界干擾;二是時(shí)序校準(zhǔn)，需確保通訊雙方的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位完全一致，同時(shí)校準(zhǔn)定時(shí)器的時(shí)間窗口，避免時(shí)間片偏差導(dǎo)致的信號(hào)沖突;三是異常處理，在軟件中增加超時(shí)重傳、無(wú)效數(shù)據(jù)丟棄、總線沖突檢測(cè)等機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)到總線沖突或數(shù)據(jù)校驗(yàn)失敗時(shí)，及時(shí)觸發(fā)重傳邏輯，確保通訊的穩(wěn)定性。

單根線UART通訊數(shù)據(jù)分離的核心邏輯，是通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)用與隔離，通過(guò)軟件協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)識(shí)別與分離，兩者相輔相成，缺一不可。硬件電路決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與速率，軟件協(xié)議決定了數(shù)據(jù)分離的準(zhǔn)確性與效率，在實(shí)際應(yīng)用中，需結(jié)合通訊速率、傳輸距離、設(shè)備資源等因素，靈活選擇硬件方案與軟件策略，同時(shí)注重實(shí)操細(xì)節(jié)，才能實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)分離。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，單根線UART通訊因布線簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)自行車、滑板車、小型傳感器等設(shè)備中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，掌握其數(shù)據(jù)分離方法，對(duì)提升嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活性與實(shí)用性具有重要意義。