Помните, когда у принтеров, мышей и модемов были толстые кабели с этими огромными неуклюжими разъемами? Те, которые буквально должны были ввинчиваться в компьютер? Мало кто знает, что эти UART-компоненты использовались для связи с вашим компьютером. Почти полностью заменила эти старые кабели и разъемы технология USB. UART-интерфейсы, описание которых найдете в этой статье, не ушли в прошлое. Их используют во многих проектах электроники DIY для подключения GPS, Bluetooth и модулей считывания карт RFID к Pi, Arduino или другим микроконтроллерам.
UART-интерфейс: описание
UART означает универсальный асинхронный приемник/передатчик. Это не коммуникационный протокол, такой как SPI и I2C, а физическая схема в микроконтроллере. Основной целью является передача и получение информации. Одно из лучших достижений технологии заключается в том, что он использует только два провода.
UART-интерфейс — это два устройства, которые обмениваются данными друг с другом. Передающий источник преобразует информацию с управляющего устройства, такого как центральный процессор, в последовательную форму, передает его в последовательном порядке на принимающий UART, который преобразует значения для принимающего устройства. Для передачи информации между двумя устройствами требуется только два провода.
Введение в коммуникацию UART
UART RS485 передает данные асинхронно, что означает отсутствие сигнала для синхронизации выхода битов от передающего устройства к принимающему. Вместо тактового сигнала передающий UART добавляет биты начала и окончания передаваемого пакета. Эти параметры определяют начало и конец документа.
Когда принимающий UART обнаруживает стартовый бит, он начинает считывать входящие биты с определенной частотой, известной как скорость передачи. Скорость передачи данных является мерой скорости, выраженной в единице измерения, — бит/с. Оба устройства должны работать примерно с одинаковой скоростью передачи. Скорость передачи между передающим и принимающим устройствами может отличаться на 10%.
Оба прибора также должны быть сконфигурированы для передачи и получения той же структуры пакета.
UART — что это и как это работает?
UART, который собирается передавать информацию, получает ее из шины данных. Она используется для отправки информации другим устройством, таким как процессор, память или микроконтроллер. После того как передающий UART получает параллельные данные из шины данных, он добавляет бит начала, четности и стоп-бит, создавая пакет данных. Затем пакет выводится последовательно, по частям. Принимающий UART считывает бит данных на свой вывод. Получающий UART преобразует информацию обратно в параллельную форму, удаляет бит начала и стоповые биты. Наконец, принимающий UART передает пакет данных параллельно шине данных на принимающей стороне.
Линия передачи обычно удерживается на высоком уровне напряжения, когда она не передает информацию. Для запуска передачи данных передающий UART тянет линию передачи от высокого к низкому за один такт. Когда принимающий UART обнаруживает переход от высокого к низкому напряжению, он начинает считывать биты в кадре данных с частотой передачи в бодах.
Технические особенности
Базовая система UART обеспечивает надежную, умеренную скорость, полнодуплексную связь с тремя сигналами: Tx (переданные последовательные данные), Rx (полученные последовательные данные) и земля. В отличие от других протоколов, таких как SPI и I2C, никакого тактового сигнала не требуется, поскольку пользователь предоставляет аппаратному обеспечению UART необходимую информацию о времени.
Типичный сигнал данных в описании UART-интерфейса — это просто напряжение, которое переходит между логическим низким и логическим высоким значением. Приемник может корректно преобразовывать эти логические состояния в цифровые данные только в том случае, если он знает, когда пробовать сигнал. Это можно легко выполнить с использованием отдельного тактового сигнала. Например, передатчик обновляет сигнал данных на каждом фронте фронта, а затем приемник производит выборку данных на каждом заднем фронте.
Ключевые термины
Начальный бит - первый бит однобайтовой передачи. Это указывает на то, что линия данных выходит из состояния бездействия. Состояние бездействия обычно имеет логическую высоту, поэтому стартовый бит является логически низким.
Начальный бит - бит служебной информации. Это означает, что он облегчает связь между приемником и передатчиком, но не передает значимые данные.
Стоповый бит - последний бит однобайтовой передачи. Его логический уровень такой же, как состояние простоя сигнала, то есть логический максимум.
Пошаговая процедура
Чтобы сигнализировать о завершении пакета данных, отправляющий UART подключает линию передачи данных от низкого напряжения к высокому напряжению в течение двух бит продолжительности.
Описание интерфейса UART:
Передающий UART принимает данные параллельно от шины данных и добавляет начальный бит, бит четности и стоп-бит(-ы) в кадр данных.
Весь пакет отправляется последовательно от передающего к принимающему UART, который производит выборку линии данных с заранее сконфигурированной скоростью передачи данных.
Принимающий UART отбрасывает начальный бит, бит четности и стоповый бит из кадра данных, преобразует последовательные данные обратно в параллель, передает их на шину данных на принимающей стороне.
Преобразует полученные байты с компьютера по параллельным схемам в один последовательный бит-поток для исходящей передачи.
При входящей передаче преобразует поток последовательного бита в байты, которые обрабатывает компьютер.
Добавляет бит четности (если он был выбран) исходящих передач, проверяет четность входящих байтов (если выбрано), отбрасывает бит четности.
Добавляет разделители начала и окончания исходящих, удаляет их из входящих передач.
Преимущества и недостатки
Протокол связи не является совершенным, но UART довольно хороши в том, что они делают. Вот некоторые плюсы и минусы, которые помогут решить, соответствуют ли они потребностям вашего проекта:
Преимущества:
Используется только два провода.
Нет сигнала синхронизации.
Имеет бит четности для проверки ошибок.
Структура пакета данных может быть изменена, если для нее настроены обе стороны.
Хорошо документированный и широко используемый метод.
Недостатки:
Размер кадра данных ограничен максимумом в 9 бит.
Не поддерживает нескольких подчиненных или нескольких мастер-систем.
Кроме того, скорость передачи данных каждого UART-интерфейса Arduino должна находиться в пределах 10% друг от друга.
