UART - последовательный интерфейс

UART - Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, или по русски Универсальный Асинхронный Приёмопередатчик - УАПП. Используется для организации связи компьютера с различными цифровыми устройствами в электронике. Интерфейс преобразует передаваемые данные в последовательный код так, чтобы была возможна их передача по одной цифровой линии другому электронному устройству. Прямого описания протокола UART все таки есть, но его косвенное описание можно увидеть в стандартах на широко известные физический протоколы RS-232, RS-422, RS-423, RS-485

Поэтому, как такового стандарта интерфейса UART не существует, однако он является неотъемлемой частью следующих стандартов: RS-232(Recommended Standard 232), RS-485, RS/EIA/TIA-423, ISO/IEC 7816, IrPHY, MIDI, DMX-512.

Последовательный и параллельный интерфейс

В чем разница между этими интерфейсами. В последовательном данные посылаются по одному проводу последовательно, друг за другом, а у "параллельного" имеется шина состоящая из нескольких проводов, по которым части сообщения передаются параллельно.

Главным достоинством параллельной передачи можно считать то, что за один момент посылается сразу группа битов. К тому же внутри микроконтроллера также используется параллельная передача данных, благодаря этому не требуется их дополнительное преобразовании. Но есть и существенные минусы. Главный из них состоит в том, что биты по проводам могут приходить не параллельно и необходимы дополнительные схемотехнические решения для получения точных посылок. Это ограничивает скорость передачи.

При последовательном передаче передаваемые биты данных сначала требуется преобразовать в параллельный код, на это расходуется дополнительное временя. Но зато отпадает необходимость в синхронизации следования битов по каждому отдельному проводу, что в данном случае, увеличивает возможности скоростной передачи данных.

Что такое UART интерфейс

Универсальный Асинхронный Приёмопередатчик - УАПП применяется с начала 60-х годов прошлого века и с тех пор претерпевал серьезные модернизации. Даже в 21 столетии последовательные протоколы UART всё ещё представляют один из основных методов обмена битами между различными цифровыми устройствами на небольшие расстояния.

UART является базой так широко используемого в прошлом интерфейса RS-232. В самом простом виде UART представляет собой три провода: передача, приём и земля.

Что такое UART интерфейс

Существенный минус универсального асинхронного приёмопередатчика кроется в том, что нет возможности определить какое из цифровых устройств является ведущим, а какое ведомым (мастер / раб). Обычно, это определяет то кто проектирует схему может назвать этот провод как TX и задать работу устройства, в соответствии с рисунком ниже:

В данном случае микроконтроллер принимает, и передаёт данные. А можно сделать следующим образом:

В соответствие с этой схемой микроконтроллер всегда передаёт (TX) получателю (RX) и наоборот. Какая из двух схем все таки правильная? Оказывается обе, все зависит только от производителя микросхемы и готового цифрового устройства.

Внимание TX, подключенный к TX и RX-RX, в большинстве случаев приведет к сгоранию микросхемы, так что это хороший пример того, что надо читать документацию перед тем как соединять чипы по UART, так как существует несколько способов соединения.

Если приемник и передатчик находятся на одной печатной плате, тогда уровень сигнала при приеме-передаче практически равен уровню напряжения питания микроконтроллера. Допустим, уровень логической единицы - "1" будет передаваться с потенциалом 3.3В, а ноль, с потенциалом, не более 0,5 Вольта. С передачей сигнала на большие расстояния начинают появляться проблемы в виде искажения сигнала и растет падение напряжения, появляются ошибки передачи, вплоть до полной остановки.

Для того, чтобы исключить такие проблемы в линию передачи и приема добавляют дополнительные буферы, которые усиливают сигнал. После этого их можно передавать на десятки метров без потери информации. Но в д.с для передачи уровня логической единицы применяется напряжение -3В..-15В, а для "0" - +3В до +15В.

UART Начало и конец передачи данных

Вместо инхронизации в UART применяется, так называемый "стартовый бит" подготавливающий цифровую схему к передачи сообщения. После стартового бита иду данные, а затем в линию посылается "стоп-бит", говорящий о завершении передачи информации. Вместе выходит 10 бит: первый - старт-бит, 8 бит данных, и последний стоп-бит, смотри осциллограмму передачи данных по протоколу UART на рисунке ниже.

Биты передаются с определенной скоростью передачи, которая измеряется в битах в секунду или, в бодах. Так 9600 бод эквивалентно 9600 бит/сек. А так как у нас передаётся 10 бит за одно сообщение, это значит, что мы при этой скорости можем передать 960 сообщений за одну секунду.

Значение скорости передачи не передаётся вместе с сообщением, то в приёмнике и передатчике должны быть заранее заданы равные скорости. Интерфейс UART допускает до 5% рассинхронизации таймеров. В этом интервале он может получать и принимать верные информационные данные.

USART универсальный протокол UART для современных микроконтроллеров

Можно сказать со 100% уверенностью, что каждый современный микроконтроллер имеет в своем составе универсальный последовательный интерфейс — UART. Умея работать с этим портом вы можете согласовать работу старых и современных электронных устройств, передать или принять данные в различные электронные устройства.

В современных микроконтроллерах, вместо UART используют полностью с ним совместимый стандарт USART (универсальный асинхронный/синхронный приёмопередатчик).

USART это более гибкий в плане настройки UART с дополнительными функциями. В USART можно регулировать длину слова с более большим интервалом (от 5 до 9) чем в UART (от 8 до 9). В USART возможна как синхронная так асинхронная и передача данных (в UART осуществляется только асинхронная). При синхронной передачи помимо двух линий — данных и питания, применяется дополнительная шина (XCK) с синхросигналом. С такой настройкой USART уже пересекается с интерфейсом SPI и его можно применять как «ведущий» в интерфейсе SPI.

Рассмотрим классический случай, когда интерфейс асинхронный (т.е. с отсутствующей линией синхронизации).

Передача данных в UART происходит по одному биту в одинаковые временные промежутки. Этот промежуток задается скоростью UART и для конкретного типа соединения обозначается в бодах, что соответствует количество бит в секунду. В электронике имеется общепринятый ряд типовых скоростей: 300; 600; 1200; 2400; 4800; 9600; 19200; 38400; 57600; 115200; 230400;460800; 921600 бод;

Скорость (S, бод) и длительность бита (T, секунд) связаны между собой общеизвестной формулой

T=1/S

Байт данных отправляются в пакетах (первый бит идет перед байтом данных и второй бит следует после, количество бит опциональны)

USART универсальный протокол

Для приема и передачи данных в интерфейсе UART применяются всего две линии данных и земля:

передающая шина данных (TXD или TX);
принимающая линия данных (RXD или RX);
земля (GND).

Уровню логической единицы и нуля аналогичны типовым уровням TTL:

лог. "1" - +5 Вольт;
лог. "0" 0 Вольт.
Разновидность UART - интерфейс RS-485

Сети, построенные на основе интерфейсов RS-485 и RS-422, представляет собой приемопередатчики, подключенные с помощью витой пары. В основе RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Основа ее базируется на передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по первому проводу (A) следует оригинальный сигнал, а по второму - его инверсная копия. Простыми словами, если на А "1", то на В "0" и наоборот, т.е, между двумя проводами витой пары всегда существует разность потенциалов: при "1" уровне она положительная, при "нулевом" - отрицательная.