串列埠通訊(UART)

什麼是 UART

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一種非同步序列通訊方式，通常使用兩條資料線在兩個裝置之間傳送資料，是飛控系統中最常見的通訊介面之一。

在無人機與飛控應用中，UART 常用於連接 GPS、遙測模組、接收機、伴飛電腦、測距儀，以及系統除錯主控台等裝置。

UART 的特性

UART 是點對點通訊，不像 I2C 或 CAN 那樣屬於共享匯流排；一組 UART 連線通常只對應兩個裝置，且不使用位址機制。

這種方式的優點是結構簡單、相容性高、應用廣泛，但也代表每一個周邊通常都需要占用一組獨立的序列埠資源。

UART 的基本訊號

最基本的 UART 連線需要三條線：

訊號	用途
TX	傳送資料輸出。
RX	接收資料輸入。
GND	共地參考。

部分飛控或周邊還會在同一組接口上額外提供 5V、3.3V、CTS、RTS 或其他控制訊號，但 UART 能否正常通訊，最核心的仍是 TX、RX 與 GND。

TX / RX 的交叉接法

UART 最常見的接線錯誤，就是 TX 和 RX 接錯方向。

正確接法如下：

• 裝置 A 的 TX 接到裝置 B 的 RX。

• 裝置 A 的 RX 接到裝置 B 的 TX。

• 兩端 GND 必須相連。

也就是說，傳送端要接到對方的接收端。如果 TX 對 TX、RX 對 RX，通常就不會有任何資料通過。

共地的重要性

即使 TX 與 RX 接對了，如果兩個裝置沒有共地，UART 仍可能無法穩定工作。

這是因為 UART 訊號需要以共同的地參考電位為基準；缺少共地時，接收端可能無法正確判讀高低電位，進而造成資料錯誤、斷續或完全無法通訊。

波特率(Baudrate)

UART 通訊雙方必須使用相同的波特率（baud rate），否則接收端看到的內容通常會變成亂碼或無法辨識的資料。

常見的波特率包含：

• 9600：部分 GPS 或簡單感測器常見的預設值。

• 57600：除錯主控台或部分遙測配置常見。

• 115200：MAVLink、GPS、伴飛電腦連線中很常見。

• 921600：高頻資料傳輸或高速鏈路時可能使用，但對線材與流控要求更高。

波特率的注意事項

當波特率提高到 921600 或更高時，通訊穩定度會更依賴線材品質、連線長度與硬體流控支援。

ARK 的 UART 文件特別指出，高速 UART 若沒有 CTS/RTS 等硬體流控，在較長線材上容易丟包；只有在板對板短距離連線時，才較可能穩定運作。

資料格式

UART 在飛控與周邊應用中，最常見的資料格式是 8N1，也就是：

• 8 個資料位元。

• 無 parity。

• 1 個 stop bit。

這通常是大多數 GPS、遙測與飛控周邊的預設值，因此實務上很少需要特別修改。

飛控裡的 UART 用途

在一般飛控系統中，UART 常見用途包括：

• GPS 模組資料輸入。

• 遙測模組與地面站通訊。

• 接收機序列輸入，例如某些 SBUS、CRSF 或其他數位接收協定。

• 伴飛電腦與飛控之間的資料交換，例如 MAVLink 或其他控制/感測通訊。

• 系統除錯主控台輸出，用來檢查開機訊息、錯誤日誌或互動式命令列。

邏輯序列埠與實體 UART

在一些主流飛控韌體中，使用者看到的 SERIAL0、SERIAL1、SERIAL2 這類名稱，往往是邏輯序列埠編號，不一定直接等於晶片上的 UART1、UART2、UART3。

SERIALx 與實體 UART/USART 的對應關係由硬體定義檔決定，因此同樣標示為 SERIAL3 的埠，在不同飛控上可能對應到不同的實體接口。

常見的序列埠角色

常見的序列埠角色包含 USB、遙測埠、GPS 埠與使用者自定義埠，不過實際對應仍依板卡硬體而定。

以 ArduPilot 為例，Serial 0 通常對應 USB，Serial 1 與 Serial 2 常用於遙測，Serial 3 與 Serial 4 常用於 GPS，而後面的序列埠則可能保留給其他用途或預設停用。

協定配置

在支援參數化序列埠管理的飛控韌體中，一個 UART 不只是一條線路，而是還需要指定它承載哪一種協定。

以 ArduPilot 為例，SERIALx_PROTOCOL 可設定為 GPS、MAVLink、RC Input、ESC Telemetry、DisplayPort、Rangefinder、OpticalFlow、DDS XRCE 等多種用途，代表同一個實體埠能透過參數被重新指定給不同周邊。

進階序列選項

部分飛控還提供 UART 的進階設定，例如 RX/TX 反相、半雙工、RX/TX 交換、上拉/下拉與 DMA 行為控制等功能。

ArduPilot 將這些功能整理在 SERIALx_OPTIONS 之中，並指出某些功能只在特定 MCU 等級或特定板卡上支援，因此設定前必須先確認硬體能力。

接收機與 UART

有些序列接收機協定可以直接接在一般 UART 上，但不是所有情況都能即插即用。

例如 ArduPilot 文件提到，任意支援的 UART 可能都能拿來做 RC 輸入，但像 SBUS、FPort 這類協定可能涉及反相需求；若 UART 本身不支援反相，就可能需要額外硬體反相器。

除錯主控台

UART 也是存取飛控底層除錯主控台的常見方式之一。

在這種模式下，UART 可用來查看開機訊息、啟動錯誤、感測器狀態與診斷資訊，因此當飛控無法正常啟動、USB 無法辨識或韌體異常時，除錯 UART 常是非常重要的排查入口。

線材與抗干擾

UART 本質上不是長距離、強抗干擾的匯流排，因此線材品質與布線方式很重要。

較高波特率下盡量縮短線長，並使用扭絞方式降低干擾；例如將 TX 與 GND、RX 與 GND 成對佈線，能比鬆散平行走線更穩定。

電壓相容性

大多數現代飛控 MCU 的 UART 邏輯電位是 3.3V，因此直接接到 5V UART 裝置可能造成不穩定，甚至損壞 MCU。

如果周邊裝置使用 5V 邏輯電位，應先確認其輸出是否為 3.3V 相容；必要時應加入電平轉換器，而不是直接硬接。

常見問題

以下是 UART 最常見的問題來源：

• TX / RX 接反：最常見，也最先檢查。

• 波特率不一致：常見症狀是亂碼或完全沒資料。

• 缺少共地：兩端看似接好，但訊號無法正確判讀。

• 電壓不相容：3.3V 與 5V 邏輯混接可能導致失敗或損壞。

• 線材太長或佈線太差：特別在高波特率、馬達干擾或震動環境下更容易出問題。

• 序列埠已被其他功能占用：物理埠接對了，但韌體參數把它指定給了別的協定。

建議排查順序

如果 UART 通訊異常，建議依序檢查下列項目：

1. 確認 TX 對 RX、RX 對 TX、GND 對 GND。

2. 確認兩端波特率相同。

3. 確認資料格式是否為預期值，通常為 8N1。

4. 確認該實體接口在韌體中被指定為正確協定。

5. 確認周邊的邏輯電位是否與飛控相容。

6. 確認線長、焊點與接頭是否穩定。

7. 必要時使用示波器或 USB-UART 工具直接觀察 TX/RX 訊號。

注意事項

注意： UART 不是多點共享匯流排，一組 TX/RX 通常只應連到一個對應裝置，除非你非常清楚該協定與硬體架構允許特殊接法。

注意： 不同飛控對「GPS」、「TELEM1」、「UART4」、「SERIAL3」這些名稱的對應可能不同，接線前應同時對照硬體接腳表與韌體參數配置。

注意： 高波特率並不一定比較好；若周邊資料量不大，使用較保守且穩定的波特率，通常比追求高速更可靠。