Der UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) ist ein universeller asynchroner Sender und Empfänger, der zum Kommunizieren von Daten zwischen Computern und Peripheriegeräten wie Modems, Druckern, Mikrocontrollern und anderen verwendet wird. Seine Arbeit basiert auf einem einfachen und zuverlässigen Datenübertragungsprotokoll.
Im Gegensatz zu synchronen Protokollen, die ein externes Taktsignal erfordern, arbeitet UART nach einem asynchronen Prinzip. Es überträgt die Daten bitweise und trennt jedes Bit durch Startsignale (1 Bit) und Stoppsignale (1 oder 2 Bits, normalerweise 1 Bit). Jedes Datenbyte wird in einer Reihe von Bits übertragen, einschließlich der Start- und Stoppbits, wodurch die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger gewährleistet wird.
Ein wichtiges Merkmal von UART ist seine Flexibilität und Erweiterbarkeit. Das Protokoll ermöglicht die Einstellung verschiedener Übertragungseinstellungen wie Baud-Rate, Datenbits, Paritätskontrolle usw. Dies ermöglicht die Übertragung von Daten auf verschiedenen Geschwindigkeitsstufen und mit unterschiedlichen Einstellungen, abhängig von den Anforderungen des Systems.
UART wird häufig in verschiedenen Bereichen eingesetzt, in denen eine zuverlässige und einfache Datenübertragung erforderlich ist. Es ist eines der Hauptprotokolle, das für die Kommunikation zwischen Komponenten in vielen elektronischen Geräten verwendet wird, z. B. in Mikrocontrollern, eingebetteten Systemen und industriellen automatisierten Systemen.
Grundlegende Funktionsweise des UART-Protokolls
Das Grundprinzip des UART-Protokolls besteht darin, Daten jeweils ein Bit zu übertragen. Die Datenübertragung erfolgt nacheinander, ohne externe Synchronisation. Es werden zwei Drähte zum Senden und Empfangen von Daten verwendet: TX (Transmit) und RX (Receive).
Die Datenübertragung beginnt mit dem Senden eines Startbits, das den Beginn der Übertragung anzeigt. Dann folgen die Daten, die nacheinander jeweils ein Bit übergeben werden. Die Anzahl der Bits und deren Format (z. B. Paritätsbits oder Stoppbits) können im Voraus konfiguriert werden. Wenn die Datenübertragung beendet ist, wird ein Stoppbit gesendet, das anzeigt, dass die Übertragung abgeschlossen ist.
Der Empfang von Daten funktioniert auf ähnliche Weise. Das Gerät wartet darauf, das Startbit zu empfangen, und beginnt dann, Daten pro Bit zu empfangen. Nachdem alle Daten empfangen wurden, prüft das Gerät die Parität (falls angegeben) und das Stoppbit. Wenn alle Prüfungen erfolgreich waren, gelten die Daten als empfangen.
Der Hauptvorteil des UART-Protokolls liegt in seiner Einfachheit und Zuverlässigkeit. Es erfordert keine komplizierte Datenverarbeitung und ermöglicht die sichere Übertragung von Informationen auch bei niedrigen Datenraten.
Asynchroner Datenaustausch
Das Hauptmerkmal von UART ist der asynchrone Datenaustausch. Dies bedeutet, dass die Sendeseite und die Empfangsseite nicht über das gemeinsame Taktsignal synchronisiert werden. Stattdessen basiert die Datenübertragung auf der Übertragung einzelner Zeichen, die Informationen enthalten und mit Start- und Stoppbits synchronisiert werden.
Der Prozess der asynchronen Datenübertragung beginnt mit dem Senden eines Startbits, das den Anfang des Zeichens angibt. Anschließend werden die Informationsbits übertragen, die die Daten enthalten. Schließlich wird ein Stoppbit übergeben, das das Ende des Zeichens angibt.
Die Empfangsseite liest die Daten, indem sie mit Start- und Stoppbits synchronisiert wird. Es gibt den Anfang des Symbols an, wenn sich die Datenleitungsebene ändert.
Die asynchrone Kommunikation über das UART-Protokoll ist eine einfache und zuverlässige Möglichkeit, Daten zwischen Geräten zu übertragen. Es ist in vielen Bereichen weit verbreitet, einschließlich der Kommunikation mit Peripheriegeräten, der Kommunikation zwischen Mikrocontrollern, der Datenübertragung über serielle Ports und anderen Anwendungen.
Vorteile der asynchronen Kommunikation über das UART-Protokoll:
- Einfache Implementierung und Verwendung.
- Zuverlässigkeit und Stabilität der Datenübertragung.
- Geringer Stromverbrauch.
- Hohe Datenübertragungsrate.
Beachten Sie, dass die Sende- und Empfangsseite auf die gleiche Baud-Rate und das Format der übertragenen Daten (Anzahl der Datenbits, Paritätsprüfung, Anzahl der Stoppbits usw.) eingestellt sein muss, damit UART-Daten erfolgreich gesendet und empfangen werden können.
Datenübertragungsrate
Die Baudrate im UART-Protokoll wird durch die Bitrate (Baud rate) bestimmt, die in Bits pro Sekunde (bps) gemessen wird. Die Bitrate bestimmt, wie viele Datenbits pro Zeiteinheit übertragen oder empfangen werden können.
Die Bitrate hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Geräteeinstellungen und der Signalqualität. Sie muss sowohl auf der Senderseite als auch auf der Empfängerseite identisch sein, um eine korrekte Datenübertragung sicherzustellen.
Je höher die Bitrate, desto mehr Daten können pro Zeiteinheit übertragen werden. Eine Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit kann jedoch auch zu erhöhten Empfangsfehlern aufgrund von Rauschen und Signalverzerrungen führen. Daher ist die Auswahl der richtigen Bitrate ein wichtiger Kompromiss zwischen der Übertragungsgeschwindigkeit und der Übertragungssicherheit.
Die folgende Tabelle enthält einige der Standard-Bitratenwerte im UART-Protokoll:
| Symbol | Bitrate (bps) |
|---|---|
| 9600 | 9600 |
| 19200 | 19200 |
| 38400 | 38400 |
| 57600 | 57600 |
| 115200 | 115200 |
Einige Geräte unterstützen möglicherweise höhere Bitraten, erfordern jedoch für eine zuverlässige Datenübertragung ein stabileres und qualitativ hochwertigeres Signal.
Datenrahmen und Paritätsbits
Das UART-Protokoll verwendet Datenrahmen, um Informationen zwischen Geräten zu übertragen. Jeder Datenrahmen besteht aus mehreren Bits, einschließlich Startbit, Datenbits, Paritätsbits und Stoppbit.
Das Startbit wird für die Synchronisierung zwischen Sender und Empfänger verwendet. Es hat immer den Status "0" und zeigt den Beginn der Byteübertragung an. Unmittelbar nach dem Startbit folgen die Datenbits, die die Daten selbst enthalten, die übertragen werden sollen.
Paritätsbits werden hinzugefügt, um Fehler bei der Datenübertragung zu kontrollieren. Es gibt verschiedene Arten von Paritätsbits, aber die häufigsten sind die Parität über gerade Bit (Even Parity) und die Parität über ungerade Bit (Odd Parity). Das Paritätsbit wird als Referenzbit betrachtet und nach den Datenbits hinzugefügt. Der Paritätsbitwert wird anhand der Anzahl der einzelnen Bits in den Datenbits ermittelt und kann verwendet werden, um Fehler bei der Datenübertragung zu erkennen.
Ein Stoppbit beendet jeden Datenrahmen und hat immer den Status «1». Es wird verwendet, damit der Empfänger synchronisieren und sich auf den Empfang des nächsten Datenrahmens vorbereiten kann.
Flusssteuerung
Die Steuerung des Datenflusses im UART-Protokoll ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass Informationen ordnungsgemäß zwischen Geräten übertragen werden. Der Hauptflusssteuermechanismus im UART-Protokoll basiert auf der Verwendung spezieller Steuersignale.
Eines der Hauptsteuersignale ist RTS (Request to Send), das vom Gerät generiert und gesendet wird, an das die Daten gesendet werden müssen. Der RTS signalisiert, dass die Daten gesendet werden können, und informiert den Empfänger darüber, dass die Daten empfangen werden müssen. Als Reaktion auf das RTS-Signal muss das Empfangsgerät ein CTS-Signal (Clear to Send) erzeugen, das bestätigt, dass die Daten empfangen werden können.
Wenn die Übertragungsrate jedoch zu hoch ist und das Empfangsgerät die empfangenen Daten nicht verarbeiten kann, kann es ein CTS-Signal mit dem Status "nicht bereit" senden (CTS=0), was bedeutet, dass das Sendegerät die Datenübertragung anhalten muss, bis das Empfangsgerät bereit ist, fortzufahren empfangen von Daten (CTS=1).
Ein zusätzliches Steuersignal ist DTR (Data Terminal Ready), das die Betriebsbereitschaft des Empfängers bestätigt. Wenn DTR auf "Nicht bereit" eingestellt ist (DTR=0), muss das Sendegerät die Datenübertragung stoppen und warten, bis DTR auf "Bereit" eingestellt ist (DTR=1).
Die Verwendung von Steuersignalen ermöglicht es Geräten, die mit dem UART-Protokoll arbeiten, das Tempo der Datenübertragung zu koordinieren und sicherzustellen, dass die Daten korrekt übertragen werden, vorausgesetzt, beide Geräte unterstützen die Flusssteuerung.
Anschließen von Geräten an UART
1. Überprüfen Sie, ob Ihr Gerät UART unterstützt. Die meisten modernen Mikrocontroller und Computer verfügen über integrierte UART-Module. Wenn Sie ein Gerät eines Drittanbieters verwenden, stellen Sie sicher, dass es über eine UART-Schnittstelle verfügt.
2. Identifizieren Sie die entsprechenden Pins für die UART-Verbindung. Dies sind normalerweise zwei Pins - TX (Datenübertragung) und RX (Datenempfang). Stellen Sie sicher, dass Sie diese Pins ordnungsgemäß mit den entsprechenden Pins auf dem Gerät verbunden haben.
3. Legen Sie die Kommunikationsparameter fest. UART arbeitet basierend auf der Baud-Rate, den Datenbits, den Paritätsbits und den Stoppbits. Stellen Sie diese Einstellungen auf beiden Geräten so ein, dass sie übereinstimmen.
4. Schreiben Sie Code, um Daten über UART auszutauschen. Im Fall von Mikrocontrollern kann es erforderlich sein, die Register zu konfigurieren, um das UART zu aktivieren und seine Parameter anzupassen. Computer oder andere Geräte erfordern möglicherweise spezielle Bibliotheken oder UART-Programme.
5. Überprüfen Sie die Verbindung. Führen Sie den Code auf beiden Geräten aus und stellen Sie sicher, dass die Daten erfolgreich über UART zwischen ihnen übertragen werden. Debuggen Sie bei Bedarf den Code oder überprüfen Sie die Verbindung.
| Identifikationsnummer | Ernennung | Anmerkung |
|---|---|---|
| TX | Datenübertragung | Verbinden Sie den RX mit einem anderen Gerät |
| RX | Datenübernahme | Verbinden Sie mit TX auf einem anderen Gerät |
Wenn Sie die Kommunikationseinstellungen richtig angeschlossen und konfiguriert haben, können Sie UART verwenden, um Daten zwischen Geräten zu übertragen. Beachten Sie, dass die Übertragungsgeschwindigkeit mit den Einstellungen beider Geräte übereinstimmen muss, damit die Kommunikation erfolgreich ist.
Vor- und Nachteile des UART-Protokolls
Vorteile:
Einfachheit: UART ist ein einfaches und zuverlässiges Datenübertragungsprotokoll. Es verwendet nur zwei Drähte - einen zum Übertragen von Daten und einen zum Empfangen von Daten. Ohne komplexe Logik und Software kann UART ohne großen Ressourcenaufwand auf einem Mikrocontroller oder einem anderen Gerät implementiert werden.
Vielseitigkeit: Das UART-Protokoll wird häufig in verschiedenen Geräten und Systemen verwendet. Es kann für die Kommunikation zwischen Mikrocontrollern, Peripheriegeräten, Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet werden. Die meisten Mikrocontroller und Computer unterstützen UART, was es zu einem universellen Kommunikationsmittel macht.
Datenübertragungsrate: Mit UART können Sie Daten mit hohen Geschwindigkeiten übertragen. Die Baudrate kann je nach den Anforderungen des Systems angepasst werden. Eine höhere Datenübertragungsrate ermöglicht eine schnellere Kommunikation zwischen den Geräten.
Nachteile:
Einseitigkeit: Das UART-Protokoll beinhaltet eine unidirektionale Datenübertragung. Es unterstützt standardmäßig keine bidirektionale Kommunikation und erfordert zusätzliche Logik oder Protokolle, um Feedback zu liefern und den Empfang von Daten zu bestätigen.
Ineffiziente Ressourcennutzung: UART verwendet konstante Zeitintervalle für die Datenübertragung. Wenn das System nicht genügend Daten für die Übertragung enthält, werden die Ressourcen ineffizient verwendet. Dies macht UART nicht zum effizientesten Protokoll für die Datenübertragung auf Nicht-Commit-Systemen.
Begrenzte Kabellänge: Mit einfachen Drähten für die Datenübertragung ist das UART-Protokoll in der Länge des Kabels begrenzt. Für die Fernübertragung sind spezielle Geräte oder andere Übertragungsprotokolle erforderlich.
