Što je UART komunikacijski protokol?

UART komunikacijski protokol

U svijetu uređaja, komunikacijski protokoli su ono što su jezici za ljude – način međusobne komunikacije. Tijekom brzog razvoja tehnologije stvoreno je mnogo komunikacijskih protokola. Previše da bismo ih spomenuli. Srećom, trebat će vam samo nekoliko njih kada radite s Arduinom i elektronikom. Jedan od njih je UART, vjerojatno najlakši za razumjeti.

UART je kratica za univerzalni asinkroni prijemnik/odašiljač (univerzalni asinkroni prijemnik/odašiljač). Definira skup pravila za razmjenu serijskih podataka između dva uređaja. Kao što nam ime govori, on i šalje i prima podatke . UART je jedan od najjednostavnijih komunikacijskih protokola koji postoje. Potrebne su mu samo dvije žice da bi uređaji međusobno komunicirali. Žica odašiljača (TX) na uređaju 1 spojena je na žicu prijemnika (RX) uređaja 2. Slično tome, žica odašiljača (TX) na uređaju 2 spojena je na žicu prijemnika (RX) uređaja 1. Žica uzemljenja (GND) potrebna je kako bi oba uređaja bila na istom referentnom naponu. Ova žica je gotovo uvijek prisutna u bilo kojoj vrsti komunikacije između uređaja.

UART ima tri komunikacijska sustava: simplex, half-duplex i full-duplex . U simplex-u se podaci šalju samo u jednom smjeru. Half-duplex, svaka strana može slati podatke, ali samo jedan po jedan. U full-duplex obje strane mogu slati podatke istovremeno. Ovi se podaci šalju u obliku okvira.

Brzina prijenosa podataka

Kao što slovo A u akronimu označava, UART je asinkroni. Predajni i prijemni uređaji ne dijele zajednički taktni signal. Iako to pojednostavljuje protokol, postavlja posebne zahtjeve na oba uređaja. Uglavnom, moraju imati istu brzinu prijenosa podataka ili unaprijed dogovorenu brzinu za komunikaciju. Inače će se poruka iskriviti i krivo protumačiti.

Brzina prijenosa podataka (baud rate) je, jednostavno rečeno, brzina kojom se informacije prenose u komunikacijskom kanalu. Najčešće UART brzine prijenosa podataka danas su 4800, 9600, 19200, 57600 i 115200. Što je veća brzina prijenosa podataka (baud rate), to je kabel koji se koristi osjetljiviji na kvalitetu instalacije. Za visoke brzine prijenosa podataka preporučuje se korištenje kraćih kabela.

Ali što bi točno značila brzina prijenosa od 9600 bitova? To znači da uređaj može poslati do 9600 bitova, odnosno jedinica i nula, u sekundi. Za UART i većinu drugih serijskih komunikacija, brzina prijenosa mora biti ista i na odašiljaču i na prijemniku .

Kako UART radi

UART komunikacija se odvija u takozvanim okvirima. Svaki okvir se sastoji od bitova – dijelova informacija koji se sekvencijalno šalju preko linije. Ti bitovi, redom, uključuju početni bit, podatkovne bitove, opcionalni bit parnosti i jedan ili dva stop bita. Svaki bit može imati HIGH (što označava logičku 1) ili LOW napon (što označava logičku 0). Ponekad se nazivaju "mark" za HIGH i "space" za LOW signal.

Stanje mirovanja (kada se ne šalju niti primaju nikakvi podaci) je visoki napon.

Za razliku od nekih drugih komunikacijskih protokola, UART nema koncept kontrolera i perifernih uređaja. To je zadani izbor za jednostavno sučelje kada samo dva uređaja trebaju međusobno komunicirati.

Početni bit

UART, kao što i samo ime govori, je asinkroni. To znači da nema zajedničke linije takta, kao u I2C komunikacijskom protokolu. Kako bi se naznačilo kada će se podaci poslati, prvo se šalje početni bit. U osnovi, to znači da će signal prijeći iz visokog stanja mirovanja u nisko stanje. Nakon početnog bita, odmah slijede podatkovni bitovi.

Bitovi podataka

Podatkovni bitovi su oni koji zapravo nose poruku. Može biti između 5 i 9 podatkovnih bitova, ali najčešće se koristi 7 ili 8. Šalju se preko linije s najmanje značajnim bitom (LSB) na prvom mjestu.

Recimo da želimo poslati prvo slovo našeg imena, veliko slovo S, putem UART-a. 7-bitni ASCII niz za ovaj znak je 1010011. Budući da želimo poslati bitove redom od najmanje do najznačajnijeg, obrnuli bismo naš 7-bitni niz. Dakle, to bi bilo 1100101.

Gledajući taj niz, prva dva bita bi bila HIGH, a zatim dva LOW bita. Sljedeći su još jedan HIGH, zatim LOW, pa opet HIGH bit kako bismo završili naš ASCII niz s velikim slovom S.

Bit parnosti (neobavezno)

Kako bi provjerio postoje li pogreške u nizu ili jesu li podaci promijenjeni, UART koristi opcionalni bit parnosti . Bitovi podataka mogu se mijenjati na nekoliko načina, kao što su neusklađene brzine prijenosa podataka, prijenosi podataka na velike udaljenosti itd. Bit parnosti može se naći između posljednjeg bita podataka i zaustavnog bita. Vrijednost bita ovisit će o vrsti korištene parnosti, bilo parnoj ili neparnoj.

I parna i neparna parnost promatraju broj jedinica u okviru . Kod parne parnosti, bit parnosti je postavljen tako da je ukupan broj podatkovnih bitova, uključujući bit parnosti, paran. Slično tome, kod neparne parnosti, ovaj broj bi trebao biti neparan.

Vratimo se na naš primjer slanja velikog slova S putem UART-a. ASCII niz ima tri nule i četiri jedinice. Ako se koristi parna parnost, bit parnosti bit će 0 jer u okviru već postoji paran broj jedinica. Međutim, ako se koristi neparna parnost, bit parnosti mora biti 1 tako da je ukupan broj jedinica neparan.

Kada se oba uređaja dogovore o parnom paritetu, prijemnik bi trebao dobiti paran broj jedinica, uključujući i bit parnosti. Ako prijemnik dobije neparan broj jedinica, podaci su oštećeni i na kraju će biti odbačeni. Prijemnik će zatim čekati slanje novog okvira.

Ako vas ovo trenutno zbunjuje, samo zapamtite: parna parnost znači paran broj jedinica kada se gledaju i podatkovni bitovi i bit parnosti, a neparna parnost znači neparan broj .

Kad je riječ o bitu parnosti, treba imati na umu dvije stvari. Prvo, može detektirati samo jedan preokrenuti bit. Ako se preokrene više od jednog bita, te se promjene ne mogu pouzdano detektirati . Drugo, bit parnosti je opcionalan u UART-u i ne koristi se uvijek.

Zaustavni bit(ovi)

Nakon što su podatkovni bitovi i opcionalni bit parnosti završeni, dolazi stop bit koji završava okvir. Za razliku od start bita gdje signal ide od visokog prema niskom, u stop bitu signal ide od niskog prema visokom . Ako je signal bio HIGH prije dolaska do stop bita, ostat će HIGH.

U okviru je potreban barem jedan stop bit. Može se konfigurirati i drugi, opcionalni, stop bit. To daje prijemniku više vremena da se pripremi za sljedeći okvir. Međutim, to je neuobičajena praksa i nećete je često viđati.

Prednosti i nedostaci

U usporedbi s nekim drugim komunikacijskim protokolima, UART je vrlo jednostavan. Zbog toga biste imali koristi od njegove upotrebe za manje projekte. To postaje posebno očito ako imate samo dva uređaja koji međusobno komuniciraju. Međutim, ako imate projekt s tri ili više uređaja, više ćete sreće pronaći negdje drugdje.

Prednosti:

• Koristi samo dvije žice
• Signal sata nije potreban
• Bit parnosti omogućuje provjeru grešaka
• Manje košta i manji je od paralelne komunikacije
• Podržava udaljenost od oko 15 metara

Nedostaci:

• Okvir podataka ograničen na maksimalno 9 bitova
• Ne podržava komunikaciju s više kontrolera i perifernih uređaja
• Nije prikladno za primjene koje zahtijevaju veće brzine prijenosa podataka
• Brzina prijenosa podataka niža nego kod paralelne komunikacije

Primjene u stvarnom životu

Protokoli poput I2C i SPI polako zamjenjuju UART u čipovima i komponentama. Većina modernih računala i perifernih uređaja koristit će USB i ethernet tehnologije.

To ne znači da je UART zastario. Uređaji koji koriste RS-232 sučelja, poput vanjskih modema, dobar su primjer gdje se UART još uvijek koristi. Mikrokontroleri i uređaji temeljeni na mikrokontrolerima obično imaju barem jednu integriranu UART periferiju. Specijalizirani UART-ovi mogu se naći u automobilima, SIM karticama i pametnim karticama. Zbog svoje jednostavnosti, niske cijene i jednostavne implementacije, UART se koristi za primjene niže brzine i nižeg protoka. Uglavnom se koristi kao oblik komunikacije između uređaja.