UART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter) je univerzální asynchronní vysílač a přijímač používaný ke sdílení dat mezi počítači a periferiemi, jako jsou modemy, tiskárny, mikrokontroléry a další. Základem jeho práce je jednoduchý a spolehlivý protokol přenosu dat.
Na rozdíl od synchronních protokolů, které vyžadují externí taktovací signál, UART funguje na asynchronním principu. Přenáší data bitem, odděluje každý bit počátečním (1 bit) a stopovým (1 nebo 2 bity, obvykle 1 bit) signálem. Každý bajt dat je přenášen v řadě bitů, včetně startovacích a stopových bitů, což umožňuje synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem.
Důležitou vlastností UART je jeho flexibilita a rozšiřitelnost. Protokol umožňuje nastavit různá nastavení přenosu dat, jako je přenosová rychlost (baud rate), počet bitů dat, paritní kontrola atd. To umožňuje přenos dat na různých úrovních rychlosti a s různými nastaveními v závislosti na požadavcích systému.
UART je široce používán v různých oblastech, kde je vyžadován spolehlivý a snadný přenos dat. Je jedním z hlavních protokolů používaných ke komunikaci mezi součástmi v mnoha elektronických zařízeních, jako jsou mikrokontroléry, vestavěné systémy a průmyslové automatizované systémy.
Základní principy fungování UART protokolu
Základním principem UART protokolu je přenos dat po jednom bitu najednou. Přenos dat probíhá postupně, bez použití externí synchronizace. Pro přenos a příjem dat se používají dva vodiče: TX (Transmit) a RX (Receive).
Přenos dat začíná odesláním startovacího bitu, který označuje začátek přenosu. Poté následují data, která jsou postupně přenášena po jednom bitu. Počet bitů a jejich formát (například paritní bit nebo stop bit) lze předem nakonfigurovat. Na konci přenosu dat se odešle stop bit, který indikuje ukončení přenosu.
Příjem dat funguje podobně. Zařízení čeká na přijetí startovacího bitu, poté začne přijímat data po jednom bitu. Po přijetí všech dat zařízení zkontroluje paritu (pokud je zadána) a stop bit. Pokud jsou všechny kontroly úspěšné, data jsou považována za získaná.
Hlavní výhodou UART protokolu je jeho jednoduchost a spolehlivost. Nevyžaduje složité zpracování dat a umožňuje přenos informací spolehlivě i při nízké rychlosti přenosu dat.
Asynchronní výměna dat
Hlavním rysem UART je asynchronní výměna dat. To znamená, že vysílací strana a přijímající strana nejsou synchronizovány společným hodinovým signálem. Místo toho je přenos dat založen na přenosu jednotlivých znaků, které obsahují informace a jsou synchronizovány pomocí startovacích a stopových bitů.
Proces přenosu dat v asynchronním režimu začíná odesláním startovacího bitu, který označuje začátek symbolu. Poté následuje přenos informačních bitů, které data obsahují. Nakonec se přenáší stopový bit, který označuje konec symbolu.
Přijímající strana čte data synchronizací pomocí startovacích a stopových bitů. Určuje začátek symbolu změnou úrovně datové linky.
Asynchronní výměna dat pomocí protokolu UART je snadný a spolehlivý způsob přenosu dat mezi zařízeními. Je široce používán v mnoha oblastech, včetně komunikace s periferními zařízeními, výměny dat mezi mikrokontroléry, přenosu dat prostřednictvím sériových portů a dalších aplikací.
Výhody asynchronní výměny dat pomocí protokolu UART:
- Snadná implementace a použití.
- Spolehlivost a stabilita přenosu dat.
- Nízká spotřeba energie.
- Vysoká přenosová rychlost.
Je důležité si uvědomit, že pro úspěšný přenos a příjem dat podle protokolu UART musí být přenosová a přijímací strana nastavena na stejnou přenosovou rychlost (baud rate) a nastavení formátu přenášených dat (počet bitů dat, paritní kontrola, počet stopových bitů atd.).
Přenosová rychlost
Rychlost přenosu dat v UART protokolu je určena bitovou rychlostí (baud rate), která se měří v bitech za sekundu (bps). Bitová rychlost určuje, kolik bitů dat lze přenést nebo přijmout za jednotku času.
Bitová rychlost závisí na několika faktorech, včetně nastavení zařízení a kvality signálu. Musí být stejná jak na straně vysílače, tak na straně přijímače, aby byl zajištěn správný přenos dat.
Čím vyšší je bitová rychlost, tím více dat lze přenést za jednotku času. Zvýšení přenosové rychlosti však může také vést ke zvýšeným chybám při příjmu v důsledku šumu a zkreslení signálu. Volba správné bitové rychlosti je proto důležitým kompromisem mezi přenosovou rychlostí a spolehlivostí přenosu.
Níže uvedená tabulka uvádí některé standardní hodnoty bitové rychlosti v UART protokolu:
| Znak | Bitová rychlost (bps) |
|---|---|
| 9600 | 9600 |
| 19200 | 19200 |
| 38400 | 38400 |
| 57600 | 57600 |
| 115200 | 115200 |
Některá zařízení mohou podporovat vyšší hodnoty bitové rychlosti, ale pro spolehlivý přenos dat vyžadují stabilnější a kvalitnější signál.
Datové rámce a paritní bity
Protokol UART používá datové rámce k přenosu informací mezi zařízeními. Každý datový rámeček se skládá z několika bitů, včetně startovacího bitu, datových bitů, paritních bitů a stopového bitu.
Startovací bit se používá k synchronizaci mezi vysílačem a přijímačem. Vždy má stav " 0 " a označuje začátek přenosu bajtu. Ihned po spuštění bitu následují datové bity, které obsahují samotná data, která mají být přenášena.
K zajištění kontroly chyb při přenosu dat jsou přidány paritní bity. Existuje několik typů paritních bitů, ale nejběžnější jsou parita sudého bitu (Even Parity) a parita lichého bitu (odd Parity). Paritní bit je považován za kontrolní bit a přidává se po datových bitech. Hodnota paritního bitu je určena podle počtu jednotkových bitů v bitech dat a může být použita k detekci chyb v přenosu dat.
Stop bit ukončí každý datový rámec a vždy má stav "1". Slouží k tomu, aby se přijímač mohl synchronizovat a připravit se na přijetí dalšího datového rámce.
Řízení toku
Řízení toku dat v protokolu UART je důležité pro zajištění správného přenosu informací mezi zařízeními. Hlavní mechanismus řízení toku v protokolu UART je založen na použití speciálních řídicích signálů.
Jedním z hlavních řídicích signálů je RTS (Request to Send), který je generován a odeslán zařízením, které potřebuje přenášet data. RTS signalizuje připravenost odesílat data a informuje přijímací zařízení o nutnosti přijímat data. V reakci na signál RTS musí přijímací zařízení generovat signál CTS (Clear to Send), který potvrzuje ochotu přijímat data.
Pokud je však přenosová rychlost příliš vysoká a přijímací zařízení nemá čas zpracovat přijatá data, může odeslat signál CTS se stavem " není připraven "(CTS=0) a to by znamenalo, že přenosové zařízení musí pozastavit přenos dat, dokud není přijímací zařízení připraveno pokračovat příjem dat (CTS=1).
Dalším řídicím signálem je DTR (Data Terminal Ready), který potvrzuje připravenost přijímacího zařízení k provozu. Pokud je DTR nastaven na stav" není připraven "(DTR=0), musí vysílací zařízení zastavit přenos dat a čekat, až bude DTR nastaven na stav" připraven " (DTR=1).
Použití řídicích signálů tak umožňuje zařízením provozujícím protokol UART koordinovat tempo přenosu dat a zajistit správný přenos informací za předpokladu, že obě zařízení podporují řízení toku.
Připojení zařízení k UART
1. Zkontrolujte, zda vaše zařízení podporuje UART. Většina moderních mikrokontrolérů a počítačů má vestavěné moduly UART. Pokud používáte zařízení třetí strany, ujistěte se, že má rozhraní UART.
2. Identifikujte příslušné piny pro připojení UART. Obvykle se jedná o dva piny - TX (přenos dat) a RX (příjem dat). Ujistěte se, že jste tyto piny správně připojili k odpovídajícím pinům v zařízení.
3. Nastavte parametry komunikace. UART funguje na základě rychlosti přenosu dat (baud rate), datových bitů, paritních bitů a stopových bitů. Nastavte tyto možnosti na obou zařízeních tak, aby odpovídaly.
4. Napište kód pro sdílení dat přes UART. V případě mikrokontrolérů to může vyžadovat nastavení registrů, aby bylo možné povolit UART a nakonfigurovat jeho nastavení. Počítače nebo jiná zařízení mohou vyžadovat použití speciálních knihoven nebo programů pro práci s UART.
5. Zkontrolujte připojení. Spusťte kód na obou zařízeních a ujistěte se, že data jsou mezi nimi úspěšně přenášena prostřednictvím UART. V případě potřeby upravte kód nebo zkontrolujte připojení.
| PIN | Jmenování | Poznámka |
|---|---|---|
| TX | Přenos dat | Připojte se k RX na jiném zařízení |
| RX | Příjem dat | Připojte se k TX na jiném zařízení |
Se správným připojením a nastavením možností komunikace budete moci použít UART k přenosu dat mezi zařízeními. Vezměte v úvahu, že přenosová rychlost musí odpovídat nastavení obou zařízení, aby byla výměna dat úspěšná.
Výhody a nevýhody protokolu UART
Výhody:
Jednoduchost: UART je jednoduchý a spolehlivý datový protokol. Používá pouze dva vodiče-jeden pro přenos dat a jeden pro získávání dat. Bez složité logiky a softwaru lze UART implementovat na mikrokontroléru nebo jiném zařízení bez velkých nákladů na zdroje.
Univerzálnost: UART protokol je široce používán v různých zařízeních a systémech. Může být použit pro komunikaci mezi mikrokontroléry, periferiemi, počítači a dalšími elektronickými zařízeními. Většina mikrokontrolérů a počítačů podporuje UART, což z něj dělá univerzální komunikační prostředek.
Přenosová rychlost: UART umožňuje přenos dat při vysokých rychlostech. Přenosovou rychlost lze nastavit podle požadavků systému. Vyšší přenosová rychlost umožňuje rychlejší komunikaci mezi zařízeními.
Nedostatky:
Jednosměrnost: UART protokol zahrnuje jednosměrný přenos dat. Nepodporuje výchozí obousměrnou komunikaci a vyžaduje další logiku nebo protokoly, které zajistí zpětnou vazbu a potvrdí příjem dat.
Neefektivita využívání zdrojů: UART používá k přenosu dat trvalé časové intervaly. Pokud systém nemá dostatek dat k přenosu, zdroje budou použity neefektivně. Díky tomu není UART nejúčinnějším protokolem pro přenos dat v nefixovaných systémech.
Omezená délka kabelu: Pomocí jednoduchých vodičů pro přenos dat je UART protokol omezen na délku kabelu. Pro přenos na velké vzdálenosti je nutné použít speciální zařízení nebo použít jiné datové protokoly.