Uart controller что это

UART ПРОТОКОЛ: ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

UART (Universal Asynchronous Transmitter Receiver) это наиболее распространенный протокол, используемый для полнодуплексной последовательной связи. Устройство отправляет и получает данные из одной системы в другую. В этом мануале мы подробно изучим основы связи и работу протокола UART, подробное описание интерфейса и распиновку разъёмов..

Что такое UART

UART означает универсальный асинхронный приемник-передатчик. Это периферийное оборудование, которое находится внутри микроконтроллера. Функция UART заключается в преобразовании входящих и исходящих данных в последовательный двоичный поток. Восьмибитные последовательные данные, полученные от периферийного устройства, преобразуются в параллельную форму с использованием последовательного преобразования в параллельное, а параллельные данные, полученные от ЦП, преобразуются с помощью преобразования из последовательного в параллельный. Эти данные представлены в модулирующей форме и передаются с определенной скоростью передачи.

Почему используют UART

Для быстрой связи используются такие протоколы, как SPI (последовательный периферийный интерфейс) и USB (универсальная последовательная шина). Но когда высокоскоростная передача данных не требуется, применяют протокол UART. Это дешевое устройство связи с одним передатчиком и приемником. Тут требуется лишь один провод для передачи данных и один для приема. О конвертере USB-ART прочитайте по ссылке.

Его можно подключить к персональному компьютеру с помощью преобразователя RS232-TTL или USB-TTL. Сходство между RS232 и UART заключается в том, что им обоим не нужен таймер для передачи и приема данных. Кадр UART состоит из 1 стартового бита, 1 или 2 стоповых битов и бита четности для последовательной передачи данных.

Блок-схема UART

UART состоит из следующих основных компонентов: передатчик и приемник. Передатчик состоит из регистра удержания передачи, регистра сдвига передачи и логики управления. Точно так же приемник состоит из регистра удержания приема, регистра сдвига приемника и логики управления. Обычно и передатчик, и приемник снабжены генератором скорости передачи данных.

Генератор скорости передачи данных формирует скорость, с которой передатчик и приемник должны отправлять и получать данные. Регистр удержания передачи содержит передаваемый байт данных. Регистр сдвига передачи и регистр сдвига приемника сдвигают биты влево или вправо, пока байт данных не будет отправлен или получен.

В дополнение к этому, предусмотрена логика управления чтением или записью, указывающая когда читать и записывать. Генератор скорости передачи данных формирует скорости в диапазоне от 110 бит / с до 230400. В большинстве случаев микроконтроллеры предлагают более высокие скорости передачи, такие как 115200 и 57600 бит / с, но такие устройства как GPS и GSM, используют более низкую скорость в 4800 и 9600 бод.

Как работает UART

Передатчик и приемник используют стартовый бит, стоповый бит и параметры синхронизации для взаимодействия друг с другом. Исходные данные находятся в параллельной форме. Например есть 4-х битные данные, и чтобы преобразовать их в последовательную форму нужен преобразователь из параллельного в последовательный. Обычно для проектирования преобразователей используются D-триггеры.

D-триггер, также известный как триггер данных, сдвигает один бит со стороны входа на сторону выхода только тогда, когда таймер изменяет переход из высокого состояния в низкое или из низкого состояния в высокое. Точно так же, если надо передать 4 бита данных, понадобится 4 триггера.

Теперь спроектируем преобразователь из параллельного в последовательный и из последовательного в параллельный.

Параллельное преобразование в последовательное

Последовательное преобразование в параллельное

Шаг 1: Возьмем 4 триггера. Количество триггеров совпадает с количеством передаваемых битов.

Шаг 2: Сначала отключим параллельную шину. Не включаем пока не будут загружены все биты. Сохраним данные на входе первого триггера. Теперь установим высокий уровень тактовой частоты, это сдвинет младший бит на вход второго триггера и выход первого. Точно так же сдвинем все биты один за другим, сделав тактовый импульс высоким. Преобразователь находится в состоянии удержания до тех пор, пока все биты не будут переданы на выход.

Шаг 3: Теперь каждый триггер содержит один бит последовательных данных. Пока все биты передаются на выход триггера, активируем шину. Это заставит конвертер отправлять все биты за раз.

Формат протокола UART

Начинается связь со стартовым битом «0». Стартовый бит инициирует передачу последовательных данных, а стоповый бит завершает транзакцию данных.

Он также имеет бит четности (четный или нечетный). Бит четности представлен как «0» (четное количество единиц), а бит нечетной четности представлен как «1» (нечетное количество).

Передача данных

Передатчик отправляет по одному биту за раз. После отправки одного бита отправляется следующий. Таким образом, все биты данных отправляются на приемник с заранее определенной скоростью передачи. При передаче каждого бита будет определенная задержка. Например, чтобы отправить один байт данных со скоростью 9600 бод, каждый бит отправляется с задержкой 108 мкс. Данные добавляются с битом четности. Таким образом для отправки 7 бит требуется 10 бит данных.

Прием данных

Для приема данных используется приёмная линия RxD.

Пример интерфейса UART

Этот пример демонстрирует взаимодействие ESP8266 UART с MAX232. Микросхема MAX232 питается от источника 5 В, и включает в себя генератор емкостного напряжения для управления напряжением 232 уровня. Она поставляется с двумя передатчиками, также называемыми драйвером (Tin, Tout) и приемниками (Rin и Rout).

Здесь использовался ESP8266 (32-битный микроконтроллер) со встроенным UART. Связь может осуществляться с ESP8266 с использованием AT-команд через преобразователь уровня RS232 в TTL (MAX232). На схеме показано подключение ESP8266 к компьютеру.

Запрашивая действительные AT-команды через ПК, микросхема Wi-Fi ответит подтверждением. Вот шаги для реализации последовательной связи с ПК.

Команды ESP8266

Далее показан ответ модуля ESP8266.

UART и USART

Основное различие между UART и USART заключается в том, что UART поддерживает только асинхронную связь, тогда как USART поддерживает как синхронную, так и асинхронную. Вот сравнение между USART и UART:

RS232 и UART

Логические уровни представляют собой уровни рабочего напряжения, которые устройство может выдержать для работы в безопасной зоне. Вот уровни напряжения для RS232 и TTL:

Логика TTL / CMOS

UART работает по TTL логике.

Преимущества и недостатки UART

Области применения протокола

Последовательный порт отладки использует драйвер UART для печати данных, поступающих извне. Можем использовать этот протокол для отправки и получения команд на встроенные устройства и от них. Также выполняется связь в GPS, модеме GSM / GPRS, чипах Wi-Fi и других модулях работающих с UART. Используется в доступе к мэйнфрейму для подключения разных компьютеров.

Форум по обсуждению материала UART ПРОТОКОЛ: ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

Обсудим действующие стандарты радиосвязи, узнаем чем они отличаются, и когда использовать какие из них.

Изучим разные типы датчиков приближения и объекты, которые они могут обнаруживать.

Самодельный аккумулятор на 9 В, литий-полимерный, собранный под стандартный корпус типа Крона.

Источник

Пакетный обмен данными по UART

Введение

На сегодняшний день существует много способов организовать обмен данными между Desktop-приложением и устройствами на микроконтроллерах: Wi-Fi, Bluetooth, RF, USB, преобразователи интерфейсов и т.д.

В большинстве из вышеперечисленных вариантов реализован пакетный обмен данными между хостом и устройством. Передаваемые данными с гарантией целостности и доставки будут переданы от передатчика к приемнику.

В случае использования интерфейсов RS-232, RS-485, RS-422 или чистого UART организация пакетного обмена данными ложится на программиста.

В данной статье я хотел бы рассказать о своей реализации обмена данными между устройствами

Постановка задачи

Нужно отправить из Qt-приложения пакет данных на устройство с микроконтроллером STM8. К компьютеру присоединён USB-RS485 преобразователь, а на устройстве соответственно преобразователь RS485-UART. Нужно учесть, что на линии связи возможен высокий уровень помех. В этой ситуации было принято решение написать быструю и легкую библиотеку для гарантии целостности принятых данных. *Гарантию доставки данных брала на себе бизнес-логика. Библиотеку решил назвать Sheller.

Требования к разрабатываемой библиотеки были следующие:

Фиксированная длинна пакета: количество байт, которые пользователь хочет передать не влияют на общую длину пакета, она остается фиксированной;

Минимальное количество внутренних буферов;

Наличие надежной, быстровычисляемой контрольной суммы;

Побайтного занесения данных;

Возможность работы в условиях поврежденных и потерянных байт в пакете;

Выполнение задачи

Принцип работы: определимся с понятием пакета. Пакет представляет собой стартовый байт, данные пользователя и два байта контрольной суммы CRC-16:

В начале использовался алгоритм контрольной суммы CRC8, однако в ходе тестов было выяснено, что при длине пакета в 8 байт количество коллизий было слишком высоким. Тест заключался в следующем: некоторые пакеты специально отправлялись битыми (менялись значения или вовсе удалялся байт из пакета). В итоге на каждый 50000й пакет происходила коллизия CRC и неправильный пакет передавался в бизнес-логику.

Первый случай коллизии происходил, когда значения байтов в пакете были изменены таким образом, что их контрольная сумма осталась прежней:

А во втором случае часть побитого пакета с частью целого пакета соединялись в один пакет, который проходил по контрольной сумме:

*Красной чертой обозначен пакет, последние байты которого не дошли до приемника. Зеленой чертой показан нормальный пакет. Синей чертой изображен пакет, который был отправлен в бизнес-логику.

Поэтому было принято решение перейти на CRC16. При запуске тоже теста было пройдено более 2млн пакетов без коллизий и тест был завершен удачно. Вычисление контрольной суммы происходит по табличному методу для ускорения работы.

В качестве StartByte используется значение 0x23. С помощью этого числа парсер делает предположение, что с этого места начинается пакет. Далее парсер проверяет количество байт в буфере и если их столько же или больше чем длинна пакета, то производится подсчет контрольной суммы. Если подсчитанная и принятая контрольные суммы совпадают, то пакет выдается и бизнес логику приложения.

При приеме байтов мы записываем их в циклический буфер, в основном я это делаю в обработчике прерывания принятого байта.

Работу всей библиотеки можно описать следующей схемой:

Данная библиотека реализована на Си и на C++. C++ версия предназначена в основном для Arduino.

Для проверки работы Sheller на микроконтроллере был написан ShellerTerminal:

*представляет собой обычный COM-port терминал с использованием алгоритма Sheller.

Информацию по использованию библиотеку вы можете найти на GitHub.

Источник

Общие сведения:

Подключение:

Пример соединения двух UNO:

UART на Arduino:

На Arduino и Arduino-совместимых платах аппаратный UART обозначается символами RX и TX рядом с соответствующими выводами. На Arduino UNO/Piranha UNO это 0 и 1 цифровые выводы:

Arduino UNO/Piranha UNO

В скетче инициализируется функцией begin() в коде функции setup():

Пример:

Piranha ULTRA

На Piranha ULTRA присутствуют два аппаратных UART. Один на тех же выводах, что и UNO, второй на 8 (RX) и 9 (TX) выводах:

В Arduino IDE второй аппаратный UART называется Serial1 (Сериал один), и инициализируется так же как и первый:

Простой пример для копирования буфера первого UART’а во второй и наоборот:

Arduino MEGA

У Arduino MEGA, помимо UART’a на цифровых выводах 0 и 1 как и у UNO, присутствуют ещё три аппаратных UART. На плате это выводы 19 (RX1), 18 (TX1), 17 (RX2), 16 (TX2) и 15 (RX3), 14 (TX3) соответственно. UART совместимый по расположению с UNO обозначен RX0, TX0:

На заметку: На многих Arduino и Arduino-совместимых платах UART0 используется для загрузки скетчей, так что если Ваш скетч не загружается, проверьте эти выводы. Во время загрузки скетча к ним ничего не должно быть подключено.

Отладка проектов при помощи UART

Пример:

Программный UART на Arduino

Помимо аппаратного UART в Arduino можно использовать программный. Программный порт хорошо подходит для простых проектов, не критичных к времени работы кода или для отладки проектов, позволяя не отключать модули использующие UART во время загрузки сетчей. При его использовании нужно лишь помнить что никакой другой код не может выполняться пока программа занимается считыванием данных из него и передача может осуществляться только в полудуплексном или симплексном режимах. Так же на программный RX можно назначать только те выводы, которые поддерживают прерывание по смене уровней. На UNO, например, это все цифровые выводы, кроме 13-го. Прежде чем собирать свой проект, проконсультируйтесь с инструкцией к конкретной плате.

Пример использования программного порта:

UART на Raspberry Pi:

Пример работы с последовательным портом на Python:

Данный пример выводит строку «iArduino.ru» в последовательный порт Raspberry и ждёт данных из последовательного порта.

Подробнее о UART:

Параметры

При обозначении параметров UART принято использовать короткую запись ЦИФРА—БУКВА—ЦИФРА

Таким образом, стандартные настройки в Arduino: 8-N-1

Кадрирование данных

При приёме-передаче данных каждое устройство ориентируется на своё внутреннее тактирование. Обычно это тактирование от 8 до 16 раз быстрее скорости передачи данных и обычно отсчитывается от стартового бита. Именно поэтому необходимо чтобы оба устройства были настроены на одну и ту же скорость передачи.

Так же при передаче данных присутствуют синхронизирующие биты, именуемые старт-бит и стоп-бит. Старт-бит сигнализирует о начале передачи данных и стоп-бит, соответственно об окончании.

Рассмотрим кадр данных:

Старт-бит:

При отсутствии передачи линия удерживается в состоянии логической единицы (в случае TTL Arduino это 5 вольт или Vcc). Как только передающее устройство притягивает линию к 0 (GND или 0 вольт в случае Arduino), это сигнализирует принимающему устройству о том что сейчас будет передача данных.

Данные:

При появлении старт-бита на линии принимающее устройство начинает отсчитывать время в соответствии с установленной скоростью и считывать состояния линии через определённые промежутки времени в соответствии с установленным количеством бит данных, после этого.

Стоп-бит:

По завершении передачи данных принимающее устройство ожидает стоп-бит, который должен быть на уровне логической единицы. Если по завершении кадра удерживается логический ноль, значит данные неверны. Если логический ноль удерживается время, превышающее длину кадра в 1,5 раза, такое состояние именуется break (разрыв линии, исторически пошло от устройств, использующих токовую петлю для передачи данных). Некоторые передатчики вызывают это состояния специально перед посылкой пакета данных. Некоторые приёмники считают такое состояние за неправильно выставленную скорость и сбрасывают свои настройки на установки «по умолчанию».

Скорость передачи данных

Скорость изменения логических уровней (импульсов) на линии принято измерять в бодах. Единица измерения названа так в честь французского изобретателя Жана Мориса Эмиля Бодо.

Скорость при использовании UART может быть любой, единственное требование — скорости передающего и принимающего должны быть одинаковы. Стандартная скорость UART принята за 9600 бод. Arduino без проблем и лишних настроек может принимать и передавать данные на скоростях до 115200 бод.

Так как при передаче данных присутствуют синхронизирующие биты, именуемые старт-бит и стоп-бит, не совсем корректно говорить, что скорость 9600 бод равна 9600 битам в секунду. Если речь идёт о полезных данных, то реальная скорость на 20% ниже. Например, если выставлены параметры 8-N-1 и 9600 бод, то на передачу одного байта уходит десять бит, и 9600/10 = 960 байт, что равно 7680 битам в секунду.

Методы связи

UART позволяет одновременно передавать и принимать данные, однако не всегда это возможно или нужно. Например, если Вам нужно только получать не критические данные (которые можно проверить следующим пакетом, например расстояние, посылаемое лидаром каждые несколько сотен миллисекунд) от цифрового датчика или любого другого устройства и не нужно ничего передавать, такой метод называется симплексным. Всего различают три метода связи:

Источник

UART – Последовательный интерфейс передачи данных

В сегодняшней статье мы с вами разберемся с последовательным интерфейсом UART, узнаем его плюсы и минусы, а также научимся отлаживать программу с помощью Arduino IDE без применения программаторов. Вас заинтересовало? Тогда читайте дальше!

Серьёзные среды разработки, типа IAR или ATMEL Studio, как правило, содержат в себе либо программный симулятор целевого микроконтроллера, либо имеют программные средства для работы с аппаратными отладчиками.

Среда Arduino IDE не имеет ни того, ни другого, что значительно усложняет поиск ошибок в программе. Компилятор выявляет только синтаксические ошибки, наряду с которыми существуют еще и логические (написано-то правильно, только не то делает), не говоря уж о подсчёте различных коэффициентов… Программы не пишутся без ошибок!

Существует множество методов отладки, но практически для всех необходимо физическое соединение с компьютером. Все платы Arduino (кроме Pro и Pro Mini) имеют «на борту» USB-разъём и специальную микросхему, которая преобразует интерфейс UART в USB. Так не будем же придумывать ничего лишнего и сделаем простейшую отладку с помощью интерфейса, который у нас уже есть!

Среда разработки Arduino IDE уже имеет в своём составе монитор последовательного порта, который позволяет просматривать данные, проходящие через порт, а также отправить свои данные. Таким образом, мы всегда можем передать данные из нашего устройства прямо в компьютер и вывести на экран.

Монитор порта – не единственное средство для работы с ним, в сети можно найти множество программ-мониторов, которые позволяют не только принимать данные, но и стоить графики на их основе, записывать данные в таблицу и многое другое! Это значительно упростит отладку программы.

Так как интерфейс UART выведен не только к преобразователю интерфейсов, его можно использовать и для связи между платами Arduino или, например, платой и датчиком, но это уже тема для другой статьи.

UART интерфейс — описание

UART в переводе с английского звучит как “Универсальный Асинхронный Приёмопередатчик”. Существует ещё его синхронная версия с дополнительной линией тактового сигнала, но она не интересна нам в рамках статьи.

Каждый бит каждого байта передаётся в равный отведённый промежуток времени (фактически, тайм-слот). Стандартным размером данных в посылке является 8 байт, но помимо данных каждый пакет несёт и служебную информацию, а именно:

Кратко параметры передаваемого сигнала записываются так:

[кол-во бит данных] [тип чётности] [кол-во стоп-битов], то есть запись 8N1 характеризует сигнал с 8 битами данных, без бита чётности (N – Not) с 1 стоп-битом.

Так как интерфейс асинхронный, то большую значимость имеет скорость передачи данных – и у приёмника, и у передатчика она должна быть одинаковой.

Скорость измеряется в битах в секунду, или коротко – в бодах. Стандарт RS232 подразумевает скорости от 1200 до 115200 бод, хотя по факту существуют скорости и ниже, и выше, причём до десятков мегабод!

Разумеется, точность везде относительна и скорость никогда не будет равняться 9600 бодам с точностью до единиц. Стандарт предусматривает возможную ошибку в скорости до 5% (не более 3% для уверенного приёма).

Далее сведены основные сведения о сигнале:

4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бод.

UART может быть запущен как в полудуплексном (только приём или только передача) режиме, так и в полнодуплексном режиме, так как линии приёма и передачи разделены. Линия TXD отвечает за передачу, RXD – за приём, соответственно, линии от приёмника к передатчику перекрещиваются (TX-RX, RX-TX).

Реализация UART в Arduino

Все платы Arduino, построенные на основе оригинальных, имеют минимум один интерфейс UART, продвинутые же платы, типа Arduino Mega 2560 Или Arduino Due, имею сразу 4 аппаратных интерфейса! Они не загружают контроллер, так как они отделены от ядра; всё, что необходимо – это сконфигурировать порт и запихать данные в буфер, после чего операции передачи пойдут независимо от вас.

Конечно, существуют и программные реализации UART, но они нагружают процессор. В любом случае, лучше использовать сначала аппаратные интерфейсы, а потом уже начинать придумывать что-то программное.

Контроллеры Arduino используют логические уровни такие же, каким является питание, то есть для самой популярной платы Arduino UNO уровни будут равны – ноль = 0В, 1 = 5В.

Выводы подключены к преобразователю интерфейсов через резисторы с сопротивлением 1 КОм, а к гребёнкам по бокам платы – напрямую, поэтому сигналы с гребёнок будут иметь больший приоритет. Периодически это мешает прошивать платы с подключенным датчиком по UART, так как для прошивки тоже используется UART.

Микросхема преобразователя интерфейсов не делает из себя ещё один COM-интерфейс для компьютера, она лишь эмулирует его. Несмотря на это, все программы, которые работают с COM-портом посредством Windows API (Win32 API), не отличат порт от физического порта компьютера.

Класс Serial – RS232 в лучших традициях Arduino

Для удобной работы с последовательным портом разработчики Arduino написали целую библиотеку, которая значительно упрощает работу с портом, абстрагируя конечного пользователя от простой, «железной» работы с регистрами. Класс имеет множество функций, которые будут рассмотрены нами далее. Но сначала надо понять, как же компьютер примет и обработает, а точнее покажет то, что мы ему передали.

Всё дело в том, что каждый символ раскладки клавиатуры – это тоже байт. И если просто взять и отправить в порт число 65, он не выведет две цифры 6 и 5, а выведет заглавную латинскую букву А. Почему так? Потому что в таблице кодировки буква А имеет код 65. Класс позволяет выбрать между текстовым и бинарным методом передачи данных, то есть мы сможем отправить число 65 и как букву, и как число.

Источник