UART je bežná metóda sériovej komunikácie používaná v mnohých zabudovaných systémoch. Odosiela dáta po jednom bite bez zdieľanej hodinovej linky, pričom používa zladené nastavenia na zachovanie synchronizácie. Spoľahlivé UART spojenia závisia od správneho zapojenia, rýchlosti prenosu, formátu rámu, úrovní napätia a časovania signálu. Tento článok poskytuje informácie o prevádzke, nastavení, použití a bežných problémoch UART.
Základy univerzálneho asynchrónneho prijímača-vysielača (UART)
UART znamená Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (univerzálny asynchrónny prijímač-vysielač). Ide o sériové komunikačné rozhranie, ktoré prenáša dáta jeden bit po jednom medzi pripojenými zariadeniami. UART blok je zabudovaný v mnohých mikrokontroléroch, procesoroch, komunikačných čipoch a zabudovaných moduloch. Počas prenosu prevádza paralelné dáta na sériový tok a pri prijímaní konvertuje prichádzajúce sériové dáta späť na bajty. UART nepoužíva zdieľanú hodinovú linku. Namiesto toho zostávajú obe zariadenia synchronizované použitím zodpovedajúcich komunikačných nastavení a detekciou začiatku a konca každého dátového rámca.
Dôvody, prečo je UART stále bežný
• Používa len niekoľko signálnych liniek
• Je jednoduché nastaviť priamu komunikáciu
• Je zahrnutý v mnohých zabudovaných zariadeniach
• Podporuje čitateľný výstup cez sériové svorky
Ako fungujú rámy a časovanie UART?
Časti UART rámu
| Prvok rámca | Funkcia |
|---|---|
| Štartovací bit | Označuje začiatok rámca |
| Dátové bity | Prenášaj hodnotu, ktorá sa posiela |
| Paritný bit | Pri použití pridáva základnú kontrolu chýb |
| Stop bit | Označuje koniec rámca |
| Stav nečinnosti | Udržiava linku vysoko, keď sa neodosielajú žiadne dáta |
Hlavné nastavenia UART
| Prostredie | Čo ovláda |
|---|---|
| Rýchlosť prenosu | Rýchlosť komunikácie |
| Dátové bity | Počet hodnotových bitov v každom snímku |
| Parita | Či je pridaná kontrola parity |
| Stop bity | Formát končiaceho rámca |
| Riadenie toku | Tempo prenosu dát medzi pripojenými zariadeniami |
Rýchlosť prenosu určuje, ako rýchlo sa bity posielajú. Vyššie prenosové rýchlosti zvyšujú prenosovú rýchlosť, ale vyžadujú presnejšie časovanie a čistejšiu signálnu cestu. Komunikácia UART tiež závisí od zladených nastavení rámu na oboch stranách.
Bežné rýchlosti prenosu
| Rýchlosť prenosu | Typické použitie |
|---|---|
| 9600 | Základné terminály, jednoduché moduly a staršie systémy |
| 19200–38400 | Komunikácia strednej rýchlosti |
| 57600 | Rýchlejšie riadiace a diagnostické prepojenia |
| 115200 | Výstup z konzoly a ladenie |
Dĺžka snímky a efektivita dát
Dĺžka snímky ovplyvňuje, koľko užitočných dát sa prenáša v každom prenose. Dva UART spoje môžu používať rovnakú rýchlosť prenosu, ale stále poskytovať odlišnú efektívnu priepustnosť dát, ak sa ich formáty rámcov líšia. Napríklad 8N1 a 7E1 používajú rôzne počty celkových bitov na snímku, takže množstvo dát užitočného obsahu na snímku nie je rovnaké.
Zapojenie UART, úrovne napätia a riadenie prietoku
Základné UART pripojenie používa tri hlavné signály: TX, RX a GND. TX pin jedného zariadenia sa pripája k RX pinu druhého zariadenia a obe zariadenia musia zdieľať rovnakú zem, aby boli úrovne signálu správne čítané.
Mnohé mikrokontroléry a moduly používajú TTL alebo CMOS UART úrovne, často pri 3,3 V alebo 5 V. Staršie sériové systémy môžu používať RS-232, ktorý má iný rozsah napätia a spôsob signalizácie, takže nie je priamo kompatibilný s TTL UART. Pri prepájaní týchto štandardov sa používa transceiver s posunom úrovne.
Niektoré UART spojenia tiež používajú riadenie toku na zabránenie strate dát, keď jedna strana nedokáže prijať prichádzajúce bajty dostatočne rýchlo.
Základné pravidlá zapojenia UART
• Prijímanie z jedného zariadenia sa pripája k RX na druhom zariadení
• Prijímanie z jedného zariadenia sa pripája na TX na druhom zariadení
• Zem musí byť pripojená na oboch stranách
Elektrické normy UART
| Typ | Typické použitie | Hlavný bod |
|---|---|---|
| TTL/CMOS UART | Mikrokontroléry, moduly, vývojové dosky | Používa logické signály ako 3,3 V alebo 5 V |
| RS-232 | Dedičné sériové porty, priemyselné prepojenia, sériové pripojenia PC | Používa iný rozsah napätia a správanie signálu |
Bežné metódy riadenia toku
• Hardvérové riadenie toku využíva linky RTS a CTS
• Softvérové riadenie toku používa znaky XON a XOFF
Hardvérové riadenie toku používa samostatné riadiace linky na správu toku dát. Softvérové riadenie toku znižuje počet vodičov, ale používa riadiace znaky v rámci dátového toku.
Ako funguje UART vo vnútri zariadenia?
Vo vnútri zariadenia periféria UART obsahuje niekoľko častí, ktoré spracovávajú odosielanie a prijímanie dát. Tieto časti často zahŕňajú vysielaciu sekciu, prijímaciu sekciu, posuvné registre, stavové príznaky a FIFO buffery. Keď sa odosielajú dáta, softvér vloží bajt do UART a hardvér pridá štartovací bit, voliteľný paritný bit a stop bit pred odoslaním celého rámca cez linku TX.
Keď sú dáta prijaté, UART sleduje RX riadok pre platný štartovací bit. Potom vzorkuje signál v správnom čase, znovu vytvorí bajt, skontroluje formát rámca a uloží dáta, aby ich softvér mohol neskôr prečítať.
UART periférie tiež hlásia stav a chybové podmienky, zatiaľ čo FIFO buffery uchovávajú niekoľko bajtov, aby znížili počet prehliadaných dát, keď softvér nereaguje okamžite.
Bežné stavové a chybové príznaky UART
• Vysielací buffer prázdny
• Prijímať plný buffer
• Paritná chyba
• Chyba rámovania
• Chyba prebehnutia
Bežné použitia UART v zabudovaných systémoch
• Ladenie sériového terminálu
• Komunikácia medzi mikrokontrolérom a modulom
• Odkazy na bootloader a aktualizáciu firmvéru
• Jednoduché rozhrania príkazov a odpovedí
• Záznam dát a diagnostika
• Prístup do konzoly zabudovanej dosky
Inštalácia, testovanie a riešenie problémov UART
Nastavenie UART spojenia začína výberom kompatibilných komunikačných nastavení a úrovní signálu. Testovanie pomáha potvrdiť, že je spojenie správne zapojené, správne nakonfigurované a posiela platné dátové rámce.
Plánovanie spojenia a konfigurácia zariadení
Pred pripojením si vyberte rýchlosť prenosu, formát snímky, štandard napätia a spôsob riadenia prietoku. Potom softvérovo povolte hardvér UART a nakonfigurujte potrebné buffery alebo nastavenia FIFO. Presnosť hodín, kvalita káblov a očakávaná dátová rýchlosť tiež ovplyvňujú výkon linky.
Overovanie komunikácie
Skontrolujte odkaz odoslaním známeho dátového vzoru alebo čitateľného textu. Sériový terminál, USB-na-UART adaptér, logický analyzátor alebo osciloskop môžu pomôcť potvrdiť, že rámce sú platné a že linka zostáva v správnom nečinnom stave medzi prenosmi.
Príručka UART
| Príznak | Pravdepodobná príčina |
|---|---|
| Náhodné alebo nečitateľné znaky | Nesprávne nastavenie prenosovej rýchlosti alebo snímky |
| Žiadne prijaté údaje | TX/RX obrátené, chýba zem, deaktivovaný UART, nesprávna úroveň napätia |
| Prerušované chyby | Hluk, dlhé zapojenie, nesúlad v časovaní |
| Chyby v rámovaní alebo parity | Zlé nastavenia alebo slabá kvalita signálu |
| Stratené bajty počas burstov | Prebehnutie, slabé vyrovnávanie pamäte, žiadna kontrola toku |
Kontroly riešenia problémov
• Potvrdiť, že TX a RX sú správne prekrížené
• Zabezpečiť, aby obe strany zdieľali rovnaké územie
• Overiť rýchlosť prenosu a formát snímky na oboch koncoch
• Skontrolujte, či sú úrovne signálu TTL/CMOS alebo RS-232
• Znížiť rýchlosť prenosu, ak je podozrenie na časovú chybu alebo šum
• Skontrolujte príznaky chýb UART v softvéri
• Testovanie pomocou známych terminálových nástrojov alebo adaptérov
Porovnanie UART, SPI a I2C
UART, SPI a I2C sú bežné metódy sériovej komunikácie, ale fungujú rôznymi spôsobmi. UART používa priame prepojenie medzi dvoma zariadeniami a nepotrebuje hodinovú linku. SPI používa hodiny a samostatné dátové cesty pre rýchlejšiu komunikáciu. I2C tiež používa hodiny, ale umožňuje viacerým zariadeniam zdieľať tú istú zbernicu prostredníctvom zabudovaného adresovania.
Porovnanie rozhraní 7.1
| Funkcia | UART | SPI | I2C |
|---|---|---|---|
| Hodinová čiara | Nie | Áno | Áno |
| Typická topológia | Point-to-point | Ovládač-periférne zariadenie | Zdieľaná zbernica |
| Zložitosť | Nízke | Stredný | Stredný |
| Vstavané adresovanie | Nie | Nie | Áno |
| Bežná sila | Jednoduchosť | Rýchlosť | Menej káblov pre mnohé zariadenia |
UART vyhovuje jednoduchým, priamym prepojeniam a prístupu k terminálom. SPI je vhodný pre vyššiu rýchlosť komunikácie. I2C vyhovuje prípadom, keď viaceré zariadenia zdieľajú jednu zbernicu s menším počtom signálových liniek.
Záver
UART sa stále používa, pretože ponúka jednoduchú, priamu komunikáciu s nízkou hardvérovou zložitosťou. Jeho výkon závisí od zladených nastavení, správneho TX a RX zapojenia, zdieľaného uzemnenia, kompatibilných napäťových úrovní a správneho spracovania časovania, vyrovnávania a chybových príznakov. Pochopenie štruktúry rámca, rýchlosti prenosu, riadenia toku a bežných príčin porúch pomáha vysvetliť, prečo UART spojenia zlyhávajú a ako je udržiavaná stabilná komunikácia v zabudovaných systémoch.
Často kladené otázky [FAQ]
Môže UART posielať a prijímať súčasne?
Áno. UART podporuje komunikáciu s plným duplexom, takže môže súčasne posielať dáta na TX a zároveň prijímať cez RX.
Čo znamená 8N1 na UART?
8N1 znamená 8 dátových bitov, žiadnu paritu a 1 stop bit.
Môže sa UART pripojiť k viacerým zariadeniam?
Nie priamo. UART je primárne určený na komunikáciu jeden na jedného a neobsahuje zabudované adresovanie.
Je rýchlosť prenosu v UART rovnaká ako bitová rýchlosť?
V štandardnom UART áno. Sú považované za rovnaké, pretože každý symbol nesie jeden bit.
Prečo používať adaptér z USB na UART?
Umožňuje počítaču komunikovať s rozhraním UART cez USB.
Zahŕňa UART šifrovanie alebo pokročilú korekciu chýb?
Nie. UART sám o sebe neobsahuje šifrovanie ani pokročilú korekciu chýb.
