FUNDAMENTOS DE LA COMUNICACIÓN UART: 16 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

¿Recuerda cuando las impresoras, ratones y módems tenían cables gruesos con esos conectores enormes y torpes? ¿Los que literalmente tuviste que atornillar a tu computadora? Esos dispositivos probablemente usaban UART para comunicarse con su computadora. Si bien el USB ha reemplazado casi por completo esos cables y conectores antiguos, los UART definitivamente no son cosa del pasado. Encontrará que los UART se utilizan en muchos proyectos de electrónica de bricolaje para conectar módulos GPS, módulos Bluetooth y módulos lectores de tarjetas RFID a su Raspberry Pi, Arduino u otros microcontroladores.

UART son las siglas de Universal Asynchronous Receiver / Transmitter. No es un protocolo de comunicación como SPI e I2C, sino un circuito físico en un microcontrolador o un IC independiente. El propósito principal de un UART es transmitir y recibir datos en serie.

Una de las mejores cosas de UART es que solo usa dos cables para transmitir datos entre dispositivos. Los principios detrás de UART son fáciles de entender, pero si no ha leído la primera parte de esta serie, Conceptos básicos del protocolo de comunicación SPI, ese podría ser un buen lugar para comenzar.

Paso 1: INTRODUCCIÓN A LA COMUNICACIÓN UART

En la comunicación UART, dos UART se comunican directamente entre sí. El UART transmisor convierte los datos en paralelo de un dispositivo de control como una CPU en forma de serie, los transmite en serie al UART receptor, que luego convierte los datos en serie en datos en paralelo para el dispositivo receptor. Solo se necesitan dos cables para transmitir datos entre dos UART. Los datos fluyen desde el pin Tx del UART transmisor al pin Rx del UART receptor:

Paso 2: Flujos de datos desde el pin Tx del UART transmisor al pin Rx del UART receptor:

Paso 3:

Los UART transmiten datos de forma asincrónica, lo que significa que no hay señal de reloj para sincronizar la salida de bits del UART transmisor con el muestreo de bits del UART receptor. En lugar de una señal de reloj, el UART transmisor agrega bits de inicio y parada al paquete de datos que se está transfiriendo. Estos bits definen el comienzo y el final del paquete de datos para que el UART receptor sepa cuándo comenzar a leer los bits.

Cuando el UART receptor detecta un bit de inicio, comienza a leer los bits entrantes a una frecuencia específica conocida como velocidad en baudios. La velocidad en baudios es una medida de la velocidad de transferencia de datos, expresada en bits por segundo (bps). Ambos UART deben funcionar aproximadamente a la misma velocidad en baudios. La velocidad en baudios entre los UART transmisores y receptores solo puede diferir en aproximadamente un 10% antes de que la sincronización de los bits se aleje demasiado.

Paso 4:

Ambos UART también deben configurarse para transmitir y recibir la misma estructura de paquetes de datos.

Paso 5: CÓMO FUNCIONA UART

El UART que va a transmitir datos recibe los datos de un bus de datos. El bus de datos se utiliza para enviar datos a la UART mediante otro dispositivo como una CPU, memoria o microcontrolador. Los datos se transfieren desde el bus de datos al UART transmisor en forma paralela. Después de que el UART transmisor obtiene los datos en paralelo del bus de datos, agrega un bit de inicio, un bit de paridad y un bit de parada, creando el paquete de datos. A continuación, el paquete de datos se envía en serie, bit a bit en el pin Tx. El UART receptor lee el paquete de datos bit a bit en su pin Rx. Luego, el UART receptor vuelve a convertir los datos en forma paralela y elimina el bit de inicio, el bit de paridad y los bits de parada. Finalmente, el UART receptor transfiere el paquete de datos en paralelo al bus de datos en el extremo receptor:

Paso 6: Imagen de cómo funciona UART

Paso 7:

Los datos transmitidos por UART se organizan en paquetes. Cada paquete contiene 1 bit de inicio, de 5 a 9 bits de datos (según el UART), un bit de paridad opcional y 1 o 2 bits de parada:

Paso 8: Los datos transmitidos por UART se organizan en imágenes de paquetes

Paso 9:

BIT DE INICIO

La línea de transmisión de datos UART normalmente se mantiene a un nivel de alto voltaje cuando no está transmitiendo datos. Para iniciar la transferencia de datos, el UART transmisor tira de la línea de transmisión de alta a baja durante un ciclo de reloj. Cuando el UART receptor detecta la transición de voltaje alto a bajo, comienza a leer los bits en la trama de datos a la frecuencia de la velocidad en baudios.

MARCO DE DATOS

El marco de datos contiene los datos reales que se están transfiriendo. Puede tener una longitud de 5 bits hasta 8 bits si se utiliza un bit de paridad. Si no se utiliza ningún bit de paridad, la trama de datos puede tener una longitud de 9 bits. En la mayoría de los casos, los datos se envían con el bit menos significativo primero.

PARIDAD

La paridad describe la uniformidad o la rareza de un número. El bit de paridad es una forma de que el UART receptor sepa si algún dato ha cambiado durante la transmisión. Los bits se pueden cambiar por radiación electromagnética, velocidades en baudios no coincidentes o transferencias de datos a larga distancia. Después de que el UART receptor lee la trama de datos, cuenta el número de bits con un valor de 1 y verifica si el total es un número par o impar. Si el bit de paridad es un 0 (paridad par), los bits 1 en la trama de datos deben sumar un número par. Si el bit de paridad es un 1 (paridad impar), los bits 1 en la trama de datos deben sumar un número impar. Cuando el bit de paridad coincide con los datos, la UART sabe que la transmisión no tuvo errores. Pero si el bit de paridad es un 0 y el total es impar; o el bit de paridad es un 1 y el total es par, la UART sabe que los bits en la trama de datos han cambiado.

BITS DE PARADA

Para indicar el final del paquete de datos, el UART de envío impulsa la línea de transmisión de datos de un voltaje bajo a un voltaje alto durante al menos dos duraciones de bits.

Paso 10: PASOS DE LA TRANSMISIÓN UART

1. El UART transmisor recibe datos en paralelo del bus de datos:

Paso 11: La transmisión de imágenes UART recibe datos en paralelo desde el bus de datos

Paso 12: 2. el UART transmisor agrega el bit de inicio, el bit de paridad y el bit de parada a la trama de datos:

Paso 13: 3. El paquete completo se envía en serie desde el UART transmisor al UART receptor. el UART receptor toma muestras de la línea de datos a la velocidad en baudios preconfigurada:

Paso 14: 4. el UART receptor descarta el bit de inicio, el bit de paridad y el bit de parada de la trama de datos:

Paso 15: 5. el UART receptor convierte los datos en serie en paralelo y los transfiere al bus de datos en el extremo receptor:

Paso 16: VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UARTS

Ningún protocolo de comunicación es perfecto, pero los UART son bastante buenos en lo que hacen. Aquí hay algunos pros y contras que le ayudarán a decidir si se ajustan o no a las necesidades de su proyecto:

VENTAJAS

Solo usa dos cables No se necesita señal de reloj Tiene un bit de paridad para permitir la verificación de errores La estructura del paquete de datos se puede cambiar siempre que ambos lados estén configurados para ello Método bien documentado y ampliamente utilizado DESVENTAJAS

El tamaño de la trama de datos está limitado a un máximo de 9 bits No admite sistemas múltiples esclavos o maestros Las velocidades en baudios de cada UART deben estar dentro del 10% entre sí Continúe con la parte tres de esta serie, Conceptos básicos de la Protocolo de comunicación I2C para conocer otra forma de comunicación de los dispositivos electrónicos. O si aún no lo ha hecho, consulte la parte uno, Conceptos básicos del protocolo de comunicación SPI.

Y como siempre, ¡avísame en los comentarios si tienes preguntas o cualquier otra cosa que agregar! Si te gustó este artículo y quieres ver más como este, asegúrate de seguir

Saludos

M. Junaid