Noções básicas de comunicação UART

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Lembra quando impressoras, mouses e modems tinham cabos grossos com esses enormes conectores desajeitados? Os que literalmente tiveram que ser parafusados ​​no seu computador? Esses dispositivos provavelmente estavam usando UARTs para se comunicar com seu computador. Enquanto o USB substituiu quase completamente esses cabos e conectores antigos, os UARTs definitivamente não são coisa do passado. Você encontrará UARTs sendo usados ​​em muitos projetos eletrônicos de bricolage para conectar módulos GPS, módulos Bluetooth e módulos de leitor de cartão RFID ao seu Raspberry Pi, Arduino ou outros microcontroladores.

Noções básicas de comunicação UART 1

UART significa Receptor / Transmissor Assíncrono Universal. Não é um protocolo de comunicação como SPI e I2C, mas um circuito físico em um microcontrolador ou um IC autônomo. O principal objetivo de um UART é transmitir e receber dados seriais.

Uma das melhores coisas do UART é que ele usa apenas dois fios para transmitir dados entre dispositivos. Os princípios por trás do UART são fáceis de entender, mas se você ainda não leu a parte um desta série, noções básicas do Protocolo de Comunicação SPI, esse pode ser um bom lugar para começar.

Introdução à Comunicação UART

Na comunicação UART, dois UARTs se comunicam diretamente. O UART transmissor converte dados paralelos de um dispositivo de controle como uma CPU em forma serial, transmite-os em série para o UART receptor, que depois converte os dados seriais novamente em dados paralelos para o dispositivo receptor. Apenas dois fios são necessários para transmitir dados entre dois UARTs. Os dados fluem do pino Tx do UART transmissor para o pino Rx do UART receptor:

Introdução ao UART - Diagrama de Conexão Básico

UARTs transmitem dados assincronamente, o que significa que não há sinal de relógio para sincronizar a saída de bits do UART transmissor para a amostragem de bits pelo UART receptor. Em vez de um sinal de relógio, o UART transmissor adiciona bits de início e parada ao pacote de dados que está sendo transferido. Esses bits definem o início e o fim do pacote de dados para que o UART receptor saiba quando começar a ler os bits.

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Quando o UART receptor detecta um bit de início, ele começa a ler os bits recebidos em uma frequência específica conhecida como taxa de transmissão. A taxa de transmissão é uma medida da velocidade de transferência de dados, expressa em bits por segundo (bps). Ambos os UARTs devem operar aproximadamente na mesma taxa de transmissão. A taxa de transmissão entre os UARTs transmissores e receptores pode diferir apenas cerca de 10% antes que o tempo dos bits fique muito longe.

Os dois UARTs também devem ser configurados para transmitir e receber a mesma estrutura de pacotes de dados.

Noções básicas de comunicação UART - tabela de especificações

Como o UART funciona

O UART que vai transmitir dados recebe os dados de um barramento de dados. O barramento de dados é usado para enviar dados ao UART por outro dispositivo, como CPU, memória ou microcontrolador. Os dados são transferidos do barramento de dados para o UART transmissor de forma paralela. Depois que o UART transmissor obtém os dados paralelos do barramento de dados, ele adiciona um bit de início, um paridade e um bit de parada, criando o pacote de dados. Em seguida, o pacote de dados é enviado em série, pouco a pouco no pino Tx. O UART receptor lê o pacote de dados pouco a pouco no seu pino Rx. O UART de recebimento converte os dados novamente em forma paralela e remove os bits de início, de paridade e de parada. Finalmente, o UART receptor transfere o pacote de dados em paralelo ao barramento de dados no lado receptor:

Introdução ao UART - Diagrama de transmissão de dados

Os dados transmitidos pelo UART são organizados em pacotes. Cada pacote contém 1 bit inicial, 5 a 9 bits de dados (dependendo do UART), um opcional paridade bit e 1 ou 2 bits de parada:

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Introdução ao UART - Pacote, quadro e bits

Start Bit

A linha de transmissão de dados UART normalmente é mantida em um nível de alta tensão quando não está transmitindo dados. Para iniciar a transferência de dados, o UART transmissor puxa a linha de transmissão de alto para baixo por um ciclo de relógio. Quando o UART receptor detecta a transição de alta para baixa tensão, ele começa a ler os bits no quadro de dados na frequência da taxa de transmissão.

Quadro de dados

O quadro de dados contém os dados reais sendo transferidos. Pode ser de 5 a 8 bits se um bit de paridade for usado. Se nenhum bit de paridade for usado, o quadro de dados poderá ter 9 bits. Na maioria dos casos, os dados são enviados com o bit menos significativo primeiro.

Paridade

Paridade descreve a uniformidade ou singularidade de um número. O bit de paridade é uma maneira de o UART receptor informar se algum dado foi alterado durante a transmissão. Os bits podem ser alterados por radiação eletromagnética, taxas de transmissão incompatíveis ou transferências de dados de longa distância. Depois que o UART receptor lê o quadro de dados, ele conta o número de bits com o valor 1 e verifica se o total é um número par ou ímpar. Se o bit de paridade for 0 (paridade par), os 1 bits no quadro de dados deverão totalizar um número par. Se o bit de paridade for 1 (paridade ímpar), os 1 bits no quadro de dados deverão totalizar um número ímpar. Quando o bit de paridade corresponde aos dados, o UART sabe que a transmissão estava livre de erros. Mas se o bit de paridade for 0 e o total for ímpar; ou o bit de paridade é 1 e o total é par, o UART sabe que os bits no quadro de dados foram alterados.

Stop Bits

Para sinalizar o final do pacote de dados, o UART remetente conduz a linha de transmissão de dados de baixa tensão para alta tensão por pelo menos dois bits.

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Etapas da transmissão UART

1. O UART transmissor recebe dados em paralelo do barramento de dados:

Introdução ao UART - Diagrama de transmissão de dados O UART obtém bytes do barramento de dados

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2. O UART transmissor adiciona o bit inicial, o bit de paridade e o (s) bit (s) de parada ao quadro de dados:

Introdução ao UART - Diagrama de transmissão de dados O UART adiciona bits de parada de início, paridade e anúncio

3. Todo o pacote é enviado em série do UART transmissor para o UART receptor. O UART de recebimento mostra a linha de dados na taxa de transmissão pré-configurada:

Introdução ao UART - Diagrama de transmissão de dados A transmissão do UART envia o pacote de dados serialmente para o UART receptor

4. O UART de recebimento descarta o bit inicial, o paritário e o de parada do quadro de dados:

Introdução ao UART - Diagrama de transmissão de dados O UART remove bits de início, paridade e parada

5. O UART receptor converte os dados seriais novamente em paralelo e os transfere para o barramento de dados no lado receptor:

Introdução ao UART - Diagrama de transmissão de dados que recebe UART envia bytes para o barramento de dados

Vantagens e desvantagens dos UARTs

Nenhum protocolo de comunicação é perfeito, mas os UARTs são muito bons no que fazem. Aqui estão alguns prós e contras para ajudar você a decidir se eles atendem ou não às necessidades do seu projeto:

Vantagens

  • Usa apenas dois fios
  • Nenhum sinal de relógio é necessário
  • Possui um bit de paridade para permitir a verificação de erros
  • A estrutura do pacote de dados pode ser alterada desde que os dois lados estejam configurados para ele
  • Método bem documentado e amplamente utilizado

Desvantagens

  • O tamanho do quadro de dados é limitado a um máximo de 9 bits
  • Não suporta múltiplos sistemas escravos ou múltiplos mestres
  • As taxas de transmissão de cada UART devem estar a 10% uma da outra

Continue na parte três desta série, Noções básicas do Protocolo de Comunicação I2C, para aprender sobre outra maneira pela qual os dispositivos eletrônicos se comunicam. Ou, se ainda não o fez, confira a parte um, Noções básicas do Protocolo de Comunicação SPI.

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