UART ПРОТОКОЛ: ОПИСАНИЕ РАБОТЫ
UART (Universal Asynchronous Transmitter Receiver) это наиболее распространенный протокол, используемый для полнодуплексной последовательной связи. Устройство отправляет и получает данные из одной системы в другую. В этом мануале мы подробно изучим основы связи и работу протокола UART, подробное описание интерфейса и распиновку разъёмов..
Что такое UART
UART означает универсальный асинхронный приемник-передатчик. Это периферийное оборудование, которое находится внутри микроконтроллера. Функция UART заключается в преобразовании входящих и исходящих данных в последовательный двоичный поток. Восьмибитные последовательные данные, полученные от периферийного устройства, преобразуются в параллельную форму с использованием последовательного преобразования в параллельное, а параллельные данные, полученные от ЦП, преобразуются с помощью преобразования из последовательного в параллельный. Эти данные представлены в модулирующей форме и передаются с определенной скоростью передачи.
Почему используют UART
Для быстрой связи используются такие протоколы, как SPI (последовательный периферийный интерфейс) и USB (универсальная последовательная шина). Но когда высокоскоростная передача данных не требуется, применяют протокол UART. Это дешевое устройство связи с одним передатчиком и приемником. Тут требуется лишь один провод для передачи данных и один для приема. О конвертере USB-ART прочитайте по ссылке.
Его можно подключить к персональному компьютеру с помощью преобразователя RS232-TTL или USB-TTL. Сходство между RS232 и UART заключается в том, что им обоим не нужен таймер для передачи и приема данных. Кадр UART состоит из 1 стартового бита, 1 или 2 стоповых битов и бита четности для последовательной передачи данных.
Блок-схема UART
UART состоит из следующих основных компонентов: передатчик и приемник. Передатчик состоит из регистра удержания передачи, регистра сдвига передачи и логики управления. Точно так же приемник состоит из регистра удержания приема, регистра сдвига приемника и логики управления. Обычно и передатчик, и приемник снабжены генератором скорости передачи данных.
Генератор скорости передачи данных формирует скорость, с которой передатчик и приемник должны отправлять и получать данные. Регистр удержания передачи содержит передаваемый байт данных. Регистр сдвига передачи и регистр сдвига приемника сдвигают биты влево или вправо, пока байт данных не будет отправлен или получен.
В дополнение к этому, предусмотрена логика управления чтением или записью, указывающая когда читать и записывать. Генератор скорости передачи данных формирует скорости в диапазоне от 110 бит / с до 230400. В большинстве случаев микроконтроллеры предлагают более высокие скорости передачи, такие как 115200 и 57600 бит / с, но такие устройства как GPS и GSM, используют более низкую скорость в 4800 и 9600 бод.
Как работает UART
Передатчик и приемник используют стартовый бит, стоповый бит и параметры синхронизации для взаимодействия друг с другом. Исходные данные находятся в параллельной форме. Например есть 4-х битные данные, и чтобы преобразовать их в последовательную форму нужен преобразователь из параллельного в последовательный. Обычно для проектирования преобразователей используются D-триггеры.
D-триггер, также известный как триггер данных, сдвигает один бит со стороны входа на сторону выхода только тогда, когда таймер изменяет переход из высокого состояния в низкое или из низкого состояния в высокое. Точно так же, если надо передать 4 бита данных, понадобится 4 триггера.
- D – входные данные.
- CLK – тактовые импульсы.
- Q – выходные данные.
Теперь спроектируем преобразователь из параллельного в последовательный и из последовательного в параллельный.
Параллельное преобразование в последовательное
Шаг 1: Возьмем 4 триггера. Количество триггеров эквивалентно количеству передаваемых битов. Точно так же поставим мультиплексоры перед каждым триггером, но исключая первый. Установлен мультиплексор для объединения данных и преобразования их в последовательные биты. Он имеет два входа: один параллельный бит данных, а другой – от предыдущего триггера.
Шаг 2: Теперь загружаем данные за раз в D-триггеры. Он будет извлекать параллельные данные и перемещать последний бит последнего триггера – четвёртый, затем третий бит, второй и, наконец, первый бит. Теперь для преобразования параллельных данных в последовательную форму используется другой преобразователь.
Последовательное преобразование в параллельное
Шаг 1: Возьмем 4 триггера. Количество триггеров совпадает с количеством передаваемых битов.
Шаг 2: Сначала отключим параллельную шину. Не включаем пока не будут загружены все биты. Сохраним данные на входе первого триггера. Теперь установим высокий уровень тактовой частоты, это сдвинет младший бит на вход второго триггера и выход первого. Точно так же сдвинем все биты один за другим, сделав тактовый импульс высоким. Преобразователь находится в состоянии удержания до тех пор, пока все биты не будут переданы на выход.
Шаг 3: Теперь каждый триггер содержит один бит последовательных данных. Пока все биты передаются на выход триггера, активируем шину. Это заставит конвертер отправлять все биты за раз.
Формат протокола UART
Начинается связь со стартовым битом «0». Стартовый бит инициирует передачу последовательных данных, а стоповый бит завершает транзакцию данных.
Он также имеет бит четности (четный или нечетный). Бит четности представлен как «0» (четное количество единиц), а бит нечетной четности представлен как «1» (нечетное количество).
Передача данных
Передача данных осуществляется по одной линии передачи (TxD). Здесь «0» рассматривается как пробел, а «1» – как состояние отметки.
Передатчик отправляет по одному биту за раз. После отправки одного бита отправляется следующий. Таким образом, все биты данных отправляются на приемник с заранее определенной скоростью передачи. При передаче каждого бита будет определенная задержка. Например, чтобы отправить один байт данных со скоростью 9600 бод, каждый бит отправляется с задержкой 108 мкс. Данные добавляются с битом четности. Таким образом для отправки 7 бит требуется 10 бит данных.
При передаче всегда сначала передается LSB (Least Significant Bit – младший значащий бит).
Прием данных
Для приема данных используется приёмная линия RxD.
Пример интерфейса UART
Этот пример демонстрирует взаимодействие ESP8266 UART с MAX232. Микросхема MAX232 питается от источника 5 В, и включает в себя генератор емкостного напряжения для управления напряжением 232 уровня. Она поставляется с двумя передатчиками, также называемыми драйвером (Tin, Tout) и приемниками (Rin и Rout).
Здесь использовался ESP8266 (32-битный микроконтроллер) со встроенным UART. Связь может осуществляться с ESP8266 с использованием AT-команд через преобразователь уровня RS232 в TTL (MAX232). На схеме показано подключение ESP8266 к компьютеру.
Запрашивая действительные AT-команды через ПК, микросхема Wi-Fi ответит подтверждением. Вот шаги для реализации последовательной связи с ПК.
- Подключить передатчик (TX) ESP8266 к приемнику (RX) преобразователя уровня RS232 в TTL (MAX232) и приемника ПК.
- Подключить приемник (RX) ESP8266 к TX ПК и RX преобразователя TTL.
Команды ESP8266
Далее показан ответ модуля ESP8266.
UART и USART
USART – это основная форма UART. Технически это не одно и то же, но определение для них одинаково. Это периферийные устройства микроконтроллера, которые преобразуют параллельные данные в последовательные биты и наоборот.
| UART | USART |
|---|---|
| Тайминги генерируются внутри микроконтроллера. | Отправляющее устройство сгенерирует тайминг. |
| Скорость передачи данных низкая. | Скорость передачи данных выше из-за внешних таймингов. |
| Автономный протокол | Поддерживает несколько протоколов, таких как LIN, RS-485, IrDA, смарт-карта и т. д. |
| Перед передачей необходимо знать скорость передачи. | Нет необходимости знать скорость передачи заранее. |
| Подходит для низкоскоростной связи | Подходит для высокоскоростной связи. |
| Сниженный энергетический след. | Обеспечивает последовательную связь при высоком энергопотреблении |
Основное различие между UART и USART заключается в том, что UART поддерживает только асинхронную связь, тогда как USART поддерживает как синхронную, так и асинхронную. Вот сравнение между USART и UART:
RS232 и UART
Логические уровни представляют собой уровни рабочего напряжения, которые устройство может выдержать для работы в безопасной зоне. Вот уровни напряжения для RS232 и TTL:
В большинстве случаев уровни RS232 находятся в диапазоне от -12 В до +12 В. Например, значение ASCII для символа «A» в RS232 составляет 65 и 41 в шестнадцатеричном формате. Таким образом, в 8-битном двоичном формате это 0100 0001. Здесь показано представление логических уровней RS232 для ASCII «A».
Логика TTL / CMOS
UART работает по TTL логике.
Первоначально последовательная линия находится в состоянии ожидания, обычно называемом статусом отметки (логическая 1). Теперь передача данных начинается со стартового бита (логический 0). Кроме того, по последовательной линии один за другим отправляются 8 бит данных, причем сначала младший бит LSB (Least significant bit – младший значащий бит). После завершения всей передачи идёт стоповый бит (логическая 1).
Преимущества и недостатки UART
- Преимущество UART в том, что протокол поддерживает полнодуплексную связь по двум проводам. Кроме того, для передачи данных не требуются внешний таймер. Он поддерживает проверку ошибок с помощью бита четности, а длину данных можно легко изменить.
- Основным недостатком является то, что он не поддерживает конфигурацию с несколькими ведомыми или несколькими ведущими устройствами. И размер пакета данных ограничен 9 битами. UART не подходит для сложной последовательной связи при высоком энергопотреблении.
Области применения протокола
Последовательный порт отладки использует драйвер UART для печати данных, поступающих извне. Можем использовать этот протокол для отправки и получения команд на встроенные устройства и от них. Также выполняется связь в GPS, модеме GSM / GPRS, чипах Wi-Fi и других модулях работающих с UART. Используется в доступе к мэйнфрейму для подключения разных компьютеров.
Самая правильная распиновка UART
Достало, что на всех девайсах разводят UART по-своему, сижу сейчас порчу корпуса своей бытовой сетевой и мультимедийной аппаратуры с целью вывести UART наружу (а то мало ли что).
Вывожу 4 пина — Rx, Tx, 3V3, GND.
Вопрос — как их расположить, чтобы было максимально Ъ (и проверенные источники в студию, пожалуйста). До этого было выведено FTDI-style, но надоело, все эти колодки гнутся, потому выпилил сейчас.
Тоже интересно. Сейчас вывожу через разъем наушников 3.5мм. 3.3V не вывожу(зачем, кстати?)
Я вывожу только с целью знать, включен девайс или нет, ничего от него не питаю.
То есть когда надо подключить сначала передатчиком по земле, а в последнюю очередь земли соединяются ?
То есть когда надо подключить сначала передатчиком по земле, а в последнюю очередь земли соединяются ?
Да, как-то так. Траблов пока не было, хотя понимаю что они могут случиться.
Да, с а ещё разные китайцы меняют местами Rx и Tx.
А я решил делать такие коннекторы, пока самым Ъ считаю WL500-style, но, возможно, в этом треде меня переубедят. И тут точно такая же опасность воткнуть не той стороной.
На упсах UART выведен через похожий разъем, может даже и такой.
Упоминая баззворды и придумывая хрень с понятными тебе вещами (порядок контактов), ты всё ещё остаёшься нифига не понимающей в электронике школотой. Бросай читать бложеки и кури матчасть.
На упсах UART выведен через похожий разъем, может даже и такой.
А вообщем-то удобно. Разъем маленький, закрепляется на корпусе гаечкой. Нужно только одно отверстие в корпусе сделать. Выглядит эстетично. Продается в любом магазине радиодеталей. А включать можно и «на холодную».
всё ещё остаёшься нифига не понимающей в электронике школотой.
Так тут вроде и не форум великих электронщиков.
Тут дело не в электронике, а в удобстве. Я хочу на всех своих устройствах иметь одинаковые разъёмы. А тег «электроника» я дописал специально, дабы скастовать людей, слышавших слово UART.
Ну так и делай одинаковые, по возможности ни с чем не совместимые разъёмы, кретин. А то воткнёшь туда что-нибудь — и пц.
по возможности ни с чем не совместимые разъёмы
Ты вообще мой пост не читал? Я хочу сделать такие разъёмы, которые были бы более или менее общеприняты.
А может есть что то вроде http://www.modmag.net/pic/articles/guides/led-connection/molex-pinout.png разъемов БП, только поменьше. Там неправильной стороной не вставишь
И с каких пор анонимов пускают на форум?
Ты недавно здесь?
3.3V выдержит. Инфа 1460‰.
Вторая фотка проще выглядит.
RS-232 с CMOS-уровнями.
1 3,3V
2 rx(tx)
3 tx(rx)
4 gnd
Защита от переплюсовки, забота схемотехники бп. А вот защита голых ног данных — уже распиновка, потому питалово по краям. Подключают сначало землю, потом все остальное. Доки по хотплагу вам в помощь. В правильно спроектированной схеме связи вывод питалова не требуется, минус один контакт, другое дело если вы имеете разноуровневое питание и вам требуется согласовать линии связи.
Мда позабыл, вдруг не свои схемы подключаешь. 3,3V через диод с низким сопротивлением, как пример ss14
А «tx(rx)» у тебя — это линия, по которой идёт передача данных от девайса к терминалу и «rx(tx)» наоборот (от терминала к девайсу)?
У меня был такой паркет. Если брать размер квадрата паркета и этого коннектора, то он, коннектор, размером с тахту и весом кило 40..