Czym jest UART i jak działa? Praktyczne wprowadzenie dla początkujących

Czym jest UART i jak działa? Praktyczne wprowadzenie dla początkujących

UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, czyli uniwersalny asynchroniczny odbiornik-nadajnik to jedno z najprostszych i najpowszechniej stosowanych rozwiązań do komunikacji szeregowej między układami elektronicznymi. W przeciwieństwie do interfejsów synchronicznych jak SPI czy I²C, UART nie wymaga osobnej linii zegarowej dane przesyła asynchronicznie, bit po bicie, w ustalonym formacie z bitami startu i stopu. Choć UART nie należy do najszybszych protokołów, jego prostota i uniwersalność sprawiają, że od dekad pozostaje standardem krótkodystansowej wymiany danych. Był on używany już we wczesnych systemach komputerowych np. do podłączania dalekopisów jako konsoli tekstowych, a obecnie niemal każdy mikrokontroler zawiera wbudowany przynajmniej jeden moduł UART. W praktyce wielu początkujących elektroników spotyka się z UARTem przy korzystaniu z portu szeregowego czy to w komunikacji między mikrokontrolerem a komputerem PC, czy np. łącząc ze sobą dwa proste układy elektroniczne.

Czym jest UART?

UART to szeregowy interfejs komunikacyjny, służący do wymiany danych pomiędzy dwoma urządzeniami. „Szeregowy” oznacza, że bity informacji wysyłane są kolejno, jeden za drugim, wspólną linią, zamiast równolegle kilkoma przewodami. UART jest interfejsem asynchronicznym, co oznacza brak sygnału zegarowego synchronizującego transmisję urządzenia muszą wcześniej uzgodnić prędkość transmisji tzw. baud rate, wyrażaną w bodach czyli bitach na sekundę oraz format danych. W zamian za uproszczenie połączeń brak linii zegara każde wysyłane słowo danych jest opakowane w specjalną ramkę z bitami synchronizującymi o tym za chwilę.

W odróżnieniu od interfejsów takich jak SPI, UART nie narzuca sztywnej architektury master-slave. Komunikacja odbywa się na zasadzie punkt-punkt między dwoma równorzędnymi urządzeniami każde z nich posiada własny nadajnik i odbiornik. Oczywiście w praktyce często jedno z urządzeń pełni rolę inicjującego transmisję np. komputer wysyłający polecenia do urządzenia, a drugie reaguje, jednak z punktu widzenia sprzętowego nie ma centralnego „mastera” arbitrującego sygnał zegara. UART jest przez to bardzo uniwersalny: wystarczy para urządzeń z ustawionymi tymi samymi parametrami, aby mogły się komunikować bezpośrednio.

W literaturze lub dokumentacjach mikrokontrolerów można spotkać termin USART jest to rozszerzona nazwa oznaczająca Universal Synchronous/Asynchronous Receiver-Transmitter. USART potrafi działać także w trybie synchronicznym zegarowym, ale w trybie asynchronicznym funkcjonuje identycznie jak zwykły UART. W kontekście tego artykułu skupiamy się właśnie na trybie asynchronicznym.

Podstawowe sygnały UART

Typowe połączenie UART wykorzystuje zaledwie dwie linie sygnałowe. Każda linia przesyła dane w jednym kierunku:

TxD Transmit Data – linia nadajnika danych. Urządzenie wysyła tą linią bity do drugiego urządzenia.
RxD Receive Data – linia odbiornika danych. Tą linią urządzenie odbiera bity wysyłane z drugiej strony.

Aby transmisja zadziałała, wyjście TxD jednego urządzenia musi być połączone z wejściem RxD drugiego urządzenia i analogicznie RxD pierwszego łączy się z TxD drugiego. Takie połączenie nazywa się skrosowaniem cross-over. Oczywiście niezbędne jest także podłączenie wspólnej masy GND, aby oba układy miały wspólny poziom odniesienia napięcia sygnałów. W tej konfiguracji UART zapewnia komunikację pełnodupleksową obie strony mogą jednocześnie wysyłać dane w przeciwnych kierunkach, ponieważ transmisja odbywa się dwoma niezależnymi liniami. Nie potrzeba żadnych dodatkowych sygnałów zegarowych ani rozbudowanej logiki sterującej prostota to duża zaleta UART.

W niektórych zastosowaniach stosuje się dodatkowe linie kontroli przepływu np. RTS/CTS do sygnalizowania gotowości na odbiór danych, jednak w podstawowych połączeniach UART nie są one wymagane. Początkujący mogą z powodzeniem korzystać z UART wykorzystując jedynie linie TX, RX i GND.

Jak działa transmisja UART?

Skoro wiemy, że UART przesyła dane szeregowo i asynchronicznie, przyjrzyjmy się, jak przebiega wysyłanie pojedynczego bajtu informacji. Kluczowe jest wcześniejsze ustalenie parametrów transmisji przez oba urządzenia przede wszystkim prędkości np. 9600 bit/s oraz formatu ramki danych liczby bitów danych, obecności bitu parzystości, liczby bitów stopu. Jeśli urządzenia nie są zgodne co do tych ustawień, komunikacja nie będzie możliwa lub dane będą zniekształcone. Załóżmy zatem, że oba urządzenia są skonfigurowane identycznie, np. 9600 8N1 co oznacza: prędkość 9600 baud, 8 bitów danych, brak parzystości, 1 bit stopu. Jak w praktyce wygląda przesłanie jednego bajtu przez UART?

Linia w stanie spoczynku idle – gdy nic nie jest wysyłane, linia Tx pozostaje w stanie wysokim logiczne 1. Odbiornik cały czas monitoruje poziom sygnału na swojej linii Rx, oczekując na zmianę świadczącą o początku transmisji.
Bit startu – nadawanie bajtu rozpoczyna się od wysłania bitu startu, czyli wymuszenia stanu niskiego (logiczne 0) na linii Tx przez czas trwania jednego bitu. Ta nagła zmiana z 1 na 0 sygnalizuje odbiornikowi początek nowej ramki danych.
Bity danych – zaraz po bicie startu nadajnik wystawia na linii kolejne bity właściwej informacji dane. Liczba bitów danych jest ustalona z góry zwykle 7, 8, a czasem 9 bitów. Standardem we współczesnych systemach jest 8 bitów danych na bajt. Bity danych wysyłane są w ustalonym tempie, zgodnym z wybraną prędkością transmisji – np. przy 9600 bit/s każdy bit trwa ok. 104 μs. Kolejność bitów jest od najmłodszego do najstarszego LSB pierw Least Significant Bit first, dzięki czemu odbiorniki UART mogą zacząć odczyt jeszcze zanim cały bajt zostanie przesłany w praktyce jednak nie ma to dużego znaczenia przy bajtach.
Opcjonalny bit parzystości jeśli w ramach ustalonego formatu włączono kontrolę parzystości, po bitach danych nadajnik dokleja jeszcze bit parzystości. Jest to dodatkowy bit służący prostej kontroli błędów jego wartość (0 lub 1) dobierana jest tak, aby łączna liczba jedynek wysłanych w bitach danych plus ten bit była parzysta przy parzystości typu even lub nieparzysta przy odd. Jeżeli nie używamy parzystości none, ten bit w ogóle nie jest wysyłany.
Bity stopu – po wysłaniu danych i ewentualnego bitu parzystości nadajnik kończy ramkę poprzez przejście linii Tx z powrotem w stan wysoki na czas co najmniej jednego bitu. Ten okres wysokiego stanu sygnału pełni rolę bitu stopu i informuje odbiornik, że ramka bajtu dobiegła końca. Standardowo używa się 1 bitu stopu, choć istnieje możliwość ustawienia 2 bitów stopu dla większego odstępu bywało to stosowane w starszych, wolniejszych urządzeniach mechanicznych.
Przygotowanie na kolejny bajt – po bitach stopu, jeśli nie ma kolejnych danych do wysłania, linia pozostaje w stanie wysokim idle. Jeżeli jednak do wysłania jest następny bajt, może on zostać nadany zaraz po zakończeniu bitu stop nie jest potrzebna żadna dodatkowa przerwa, gdyż odbiornik rozpoznaje początek kolejnego bajtu po tym, że po stanie wysokim stop ponownie pojawia się stan niski nowy bit start. Tym sposobem można przesyłać całą serię bajtów jeden po drugim, z minimalnymi przerwami.
Odbiór po drugiej stronie – odbiornik UART, wykrywszy zbocze opadające sygnału przejście z 1 na 0 sygnalizujące bit startu, synchronizuje swój wewnętrzny zegar z tym zdarzeniem. Następnie próbkowanie odczyt kolejnych bitów odbywa się w ustalonych odstępach czasu odpowiadających połowie i pełnemu okresowi bitu typowo odbiornik próbuje odczytać wartość każdego bitu w środku jego „okienka czasowego”, co zwiększa odporność na ewentualne przesunięcia czasowe. Po odczytaniu zadeklarowanej liczby bitów danych oraz ewentualnego bitu parzystości odbiornik oczekuje na powrót sygnału do stanu wysokiego w czasie bitu stop. Gdy wykryje stan wysoki tam, gdzie powinien być bit stopu, ramka jest uznawana za poprawnie odebraną z odczytanych bitów zostaje złożony bajt danych i przekazany dalej np. do bufora danych w układzie. Jeśli bit stopu nie zostanie wykryty np. linia nie wróci do 1 na czas lub pojawi się zakłócenie, odbiornik zgłasza błąd ramki framing error – co zwykle oznacza poważny problem z synchronizacją np. złą prędkość lub zakłócenia sygnału.

W ten sposób, krok po kroku, przesyłany jest cały bajt danych od nadajnika do odbiornika. Dzięki bitowi startu odbiornik jest w stanie wykryć początek bajtu w strumieniu bitów, zaś bity stopu zapewniają minimalny odstęp i powrót sygnału do stanu neutralnego przed ewentualnym kolejnym bajtem. Trzeba zauważyć, że brak osobnej linii zegarowej oznacza pewną wrażliwość na rozbieżności czasowe jeżeli częstotliwości taktowania nadajnika i odbiornika różnią się choćby o kilka procent, to pod koniec odbioru bajtu próbki mogą się „rozjechać” i wystąpi błąd odczytu. Dlatego tak ważne jest dobranie jak najdokładniej zgodnych prędkości po obu stronach na szczęście standardowe wartości baud oraz stosowanie kwarcowych oscylatorów sprawiają, że w praktyce udaje się utrzymać błąd synchronizacji na minimalnym poziomie, często <2%, co jest akceptowalne. Dodatkowy opcjonalny bit parzystości pozwala wykryć wystąpienie pojedynczego błędu bitu w ramce np. na skutek zakłócenia elektrycznego – nie jest to skomplikowana detekcja, ale zawsze jakaś. W nowoczesnych zastosowaniach częściej jednak rezygnuje się z kontroli parzystości na rzecz bardziej rozbudowanych metod sprawdzania poprawności na wyższym poziomie protokołu lub całkiem polega się na niezawodności łącza.

Zastosowania UART w praktyce

Interfejs UART jest wykorzystywany wszędzie tam, gdzie potrzebne jest proste i niezawodne połączenie punkt-punkt między dwoma urządzeniami. Klasycznym przykładem jest komunikacja mikrokontrolera z komputerem PC np. przesyłanie wyników pomiarów z układu do aplikacji na komputerze albo odwrotnie, wysyłanie komend z PC do sterownika. Większość płytek rozwojowych mikrokontrolerów umożliwia programowanie i komunikację właśnie przez wbudowany UART często zintegrowany z układem USB dzięki temu nasz komputer widzi takie połączenie jako wirtualny port szeregowy.

UART sprawdza się również doskonale do dołączania różnego rodzaju modułów peryferyjnych. Przykładowo, wiele modułów GPS wysyła dane o pozycji właśnie interfejsem UART co sekundę transmitują ciąg znaków z współrzędnymi, prędkością, czasem itp. Wystarczy podłączyć taki moduł do mikrokontrolera poprzez linię Tx modułu -> Rx mikrokontrolera i Rx modułu -> Tx mikrokontrolera, aby nasz układ mógł odbierać komunikaty NMEA i je przetwarzać. Innym przykładem może być moduł Bluetooth lub Wi-Fi wiele takich układów komunikuje się z mikroprocesorem przez UART, realizując bezprzewodowe połączenie z komputerem lub smartfonem. Mikrokontroler wysyła tekstowe komunikaty do modułu, a ten przekazuje je radiowo dalej; z punktu widzenia mikrokontrolera to wciąż zwykła transmisja szeregowa. Podobnie modemy GSM, starsze modemy telefoniczne czy urządzenia IoT np. moduły LoRa często korzystają z UART do wymiany danych i komend AT.

W świecie PC historycznie standardowym portem komunikacyjnym był port COM zgodny z protokołem RS-232 – a RS-232 to nic innego jak UART zdefiniowany dla innych poziomów napięć sygnałów i złącz DB9/DB25. Dawne komputery i urządzenia pomiarowe łączyło się kabelkiem RS-232, a układ MAX232 służył do konwersji napięć logicznych TTL na poziomy ±12 V wymagane przez standard RS-232. Dziś fizyczne porty COM w komputerach są rzadkością, ale w zamian powszechnie używa się konwerterów USB-UART małych modułów lub kabli, które po stronie PC działają jak urządzenie USB, a po stronie elektroniki udostępniają standardowe linie TX/RX UART. Dzięki nim można łatwo podłączyć mikrokontroler czy moduł do nowoczesnego komputera przez USB, a komunikacja i tak odbywa się w tle właśnie poprzez UART emulowany port szeregowy. Przykładowo, wiele osób programujących Arduino czy ESP korzysta z wbudowanego na płytce konwertera USB-UART pisząc w komputerze w monitorze szeregowym komendę, która następnie trafia jako ciąg bajtów UART do mikrokontrolera.

Wyobraźmy sobie praktyczny scenariusz: budujemy własną stację pogodową z czujnikami i mikrokontrolerem, a chcemy przesyłać odczytane dane bezprzewodowo do komputera. Możemy użyć niedrogiego modułu Bluetooth z interfejsem UART. Mikrokontroler łączy się z modułem czterema przewodami TX, RX, VCC, GND i wysyła wyniki pomiarów jako tekst przez UART. Moduł Bluetooth odbiera te dane i przekazuje drogą radiową do komputera np. symulując port COM przez Bluetooth. W kodzie mikrokontrolera nic nie musimy wiedzieć o radiowej transmisji „widzi” on tylko zwykły UART, do którego wysyła bajty. Taki przykład pokazuje, jak uniwersalny jest UART: stanowi podstawową warstwę transportową, którą można wykorzystać do wielu celów, czy to komunikacja z PC, modułem radiowym, czujnikiem, innym kontrolerem, itp.

Zalety i wady UART

Jak każde rozwiązanie, UART ma swoje zalety i ograniczenia. Podsumujmy najważniejsze z nich:

Zalety UART:

Prostota implementacji – bardzo mało sygnałów i nieskomplikowana logika transmisji. Wysyłanie danych bit po bicie jest łatwe do zrealizowania nawet programowo bit-banging, a wiele układów ma wbudowany sprzętowy UART. Nie ma potrzeby skomplikowanego protokołu z adresami czy potwierdzeniami wysyłamy po prostu bajty.
Powszechna dostępność – UART jest szeroko obsługiwany przez praktycznie wszystkie platformy sprzętowe. Większość mikrokontrolerów ma sprzętowy interfejs UART na pokładzie, a w świecie PC standard RS-232/COM i jego emulacja przez USB jest obecny od dziesięcioleci. Istnieje wiele gotowych bibliotek i narzędzi ułatwiających pracę z UART monitory szeregowe, terminale itp.
Pełny dupleks – dzięki osobnym liniom TX i RX UART umożliwia jednoczesną komunikację w obu kierunkach. Nie trzeba „czekać na swoją kolej” jeśli obie strony nadają jednocześnie, nie zakłócają się wzajemnie dane biegną dwoma torami. Daje to większą elastyczność w protokołach komunikacji np. urządzenie może w każdej chwili wysłać komunikat zwrotny, nie czekając aż druga strona skończy transmisję.
Niskie zużycie energii – interfejs UART jest dość energooszczędny. W stanie spoczynku nie pobiera prądu linia utrzymuje stały stan logiczny, a podczas transmisji przełącza jedynie jedną linię na urządzenie. W porównaniu do interfejsów równoległych lub szybkich magistral, obciążenie prądowe i elektromagnetyczne jest tu niewielkie. To ważne w zastosowaniach mobilnych zasilanych bateryjnie.
Minimalny narzut protokołu – poza bitami start/stop i ewentualnie parzystości UART nie dodaje dodatkowych danych sterujących do przesyłanych informacji. Nie ma tu skomplikowanych nagłówków, sum kontrolnych, adresów itp. te elementy można dodać dopiero na wyższym poziomie jeśli są potrzebne. Dzięki temu transmisja UART ma niewielkie opóźnienia, a debugowanie jest proste widać na linii dokładnie te bajty, które wysyła aplikacja.

Wady UART:

Ograniczona szybkość transmisji – z racji braku zegara maksymalne osiągalne prędkości UART są niższe niż w interfejsach synchronicznych. Typowe szybkości to rząd kilkuset tysięcy bitów na sekundę (np. 115200 bit/s), podczas gdy np. SPI może pracować z szybkością wielu milionów bitów na sekundę. UART nie nadaje się więc do naprawdę szybkiej komunikacji i dużych ilości danych.
Wymagana synchronizacja ustawień – ponieważ nie ma sygnału zegarowego, obie strony muszą mieć dokładnie tę samą konfigurację baud, liczba bitów, parzystość, stop. Wszelkie rozbieżności spowodują błędy. Co więcej, nawet przy nominalnie zgodnych ustawieniach zegary nadajnika i odbiornika mogą minimalnie się różnić stąd ograniczenie co do długości ramki maks. 9 bitów danych i potrzeba bitu stopu, by co bajt „zsynchronizować” transmisję. Jest to pewne utrudnienie, bo wymaga ręcznej konfiguracji i nie pozwala urządzeniom samoczynnie dostosować parametrów brak automatycznej negocjacji jak np. w USB.
Tylko połączenie 1:1 – standardowy UART łączy dokładnie dwa urządzenia. Nie da się prosto podłączyć trzeciego urządzenia do tej samej magistrali UART bez dodatkowych układów lub protokołów do uniknięcia kolizji. Dla porównania, SPI czy I²C umożliwiają komunikację jednego mastera z wieloma urządzeniami podrzędnymi na wspólnej magistrali UART tego nie oferuje choć istnieją modyfikacje jak multi-drop UART na wspólnej linii czy użycie RS-485, ale to osobne zagadnienia.
Ograniczony zasięg sygnału – UART w podstawowej postaci logika TTL 5 V lub 3,3 V jest przeznaczony na krótkie dystanse, zwykle kilkadziesiąt centymetrów do kilku metrów po przewodzie. Przy dłuższych kablach wzrasta podatność na zakłócenia i pojemnościowe zniekształcenie sygnału mogą pojawiać się błędy. Dlatego do transmisji na większe odległości stosuje się dedykowane transceivery jak wspomniany RS-232 czy RS-485, które podnoszą odporność sygnału i pozwalają osiągać dziesiątki a nawet setki metrów, ale wiąże się to ze zwiększeniem kosztu i złożoności.
Podstawowa kontrola błędów – opcjonalny bit parzystości zapewnia tylko najprostszą detekcję pojedynczego błędu bitu w ramce. UART nie ma wbudowanych mechanizmów korygowania błędów ani potwierdzania odbioru danych. W praktyce, jeśli potrzebna jest większa niezawodność, trzeba implementować dodatkowe zabezpieczenia programowe np. sumy kontrolne CRC, protokół z potwierdzeniami i retransmisją błędnych pakietów. Dla porównania, interfejsy takie jak CAN mają już w warstwie sprzętowej zaawansowane mechanizmy wykrywania i korekcji błędów – UART jest przy nich bardzo „goły”.
Wymóg konfiguracji i obsługi po stronie aplikacji – używając UART, programista musi sam zadbać o obsługę odbieranych/wysyłanych danych buforowanie, interpretacja bajtów. Brak standaryzacji formatu powyżej warstwy bajtu oznacza dużą swobodę, ale i konieczność zdefiniowania protokołu komunikacji na poziomie aplikacji. Dla osób początkujących może to być wyzwaniem np. ustalenie, w jaki sposób jedno urządzenie będzie wiedziało, gdzie kończy się wiadomość, a zaczyna następna często stosuje się specjalne znaki zakończenia linii, liczniki bajtów lub stałą długość ramek na wyższym poziomie protokołu).

Mimo tych ograniczeń, w bardzo wielu zastosowaniach zalety UART zdecydowanie przeważają nad wadami zwłaszcza jeśli potrzebujemy prostego połączenia dwóch układów i umiarkowanej szybkości transmisji. Jego uniwersalność i łatwość użycia czynią go pierwszym wyborem w sytuacjach, gdy nie ma potrzeby stosować bardziej złożonych interfejsów.

Praktyczne wskazówki przy korzystaniu z UART

Aby uniknąć problemów i w pełni wykorzystać możliwości UART, warto pamiętać o kilku praktycznych kwestiach:

Ustal wspólne parametry transmisji: Przed połączeniem urządzeń upewnij się, że oba mają ustawioną tę samą prędkość baud rate oraz format ramki liczbę bitów danych, parzystość, bity stopu. Najlepiej trzymać się standardowych wartości prędkości, takich jak 9600, 19200, 38400, 115200 bit/s itp., ponieważ większość urządzeń je obsługuje. Jeśli jedna strona pracuje np. z 8N1, druga również musi być w trybie 8N1 inaczej zobaczysz jedynie przypadkowe znaki lub brak komunikacji.
Prawidłowo połącz linie TX/RX i masę: Zawsze łącz Tx z Rx po drugiej stronie i odwrotnie. Jeśli pomylisz i podłączysz TX do TX oraz RX do RX, urządzenia nie będą się widzieć oba będą „mówić” do nikogo i „nasłuchiwać” nikogo. Pamiętaj również o wspólnej masie GND bez niej obwód sygnałowy nie zamknie się i transmisja nie zadziała, nawet jeśli Tx/Rx są połączone poprawnie.
Sprawdź poziomy napięć logicznych: Upewnij się, że urządzenia mają zgodne poziomy sygnałów na UART. Typowe mikrokontrolery działają na 5 V lub 3,3 V logiki gdy łączysz np. moduł działający na 3,3 V z układem 5 V, bezpośrednie podłączenie może uszkodzić wejście niższonapięciowego urządzenia. Stosuj konwertery poziomów logicznych lub dopasowane moduły wiele modułów 3,3 V ma wejścia Rx tolerujące 5 V, ale lepiej to sprawdzić w dokumentacji!. Z kolei nigdy nie łącz bezpośrednio wyjścia UART mikrokontrolera z portem RS-232 w komputerze – potrzebny jest konwerter napięć np. układ MAX232 lub adapter USB-UAR. Port RS-232 ma poziomy ±12 V, które mogą trwale uszkodzić układ TTL.
Diagnozuj połączenie krok po kroku: Jeśli komunikacja nie działa od razu, spróbuj podejść metodycznie. Objaw „krzaków” na terminalu nieczytelnych znaków najczęściej oznacza złą prędkość transmisji lub zły format ramek sprawdź konfigurację obu stron. Brak jakiejkolwiek reakcji może wskazywać na błędne podłączenie np. zamienione TX/RX lub brak GND. Przydatnym narzędziem jest monitor portu szeregowego terminal na komputerze pozwala on podejrzeć, co faktycznie wysyła urządzenie. Warto też przetestować osobno każdą stronę: np. wysyłać dane z urządzenia A i sprawdzić, czy dochodzą do komputera, potem wysyłać z komputera do urządzenia B itp., by zawęzić, gdzie jest problem.
Używaj kontroli przepływu przy dużych transmisjach: Jeśli planujesz wysyłać większe bloki danych z wysoką prędkością, upewnij się, że odbiorca nadąży je przetwarzać. Wbudowane bufory UART nie są zbyt duże np. mikrokontroler może mieć bufor na kilkadziesiąt bajtów. Jeśli zapełni się on zanim program odbierający zdąży przetworzyć dane, kolejne bajty zostaną utracone. Sposobem zapobiegającym takiej sytuacji jest kontrola przepływu. Prostsza, programowa metoda to wysyłanie danych porcjami i oczekiwanie na potwierdzenie odbioru ACK lub wstawianie krótkich opóźnień między pakietami. Bardziej zaawansowane podejście to sprzętowa kontrola RTS/CTS dodatkowe linie, którymi odbiornik sygnalizuje nadajnikowi „stop, nie nadawaj jeszcze – mój bufor pełny” i „ok, możesz znowu nadawać”. W podstawowych zastosowaniach często można się obyć bez tego, ale warto wiedzieć, że takie mechanizmy istnieją, gdyby zaszła potrzeba.
Zachowaj ostrożność przy długich przewodach: Jeżeli musisz poprowadzić połączenie UART na większą odległość kilka metrów lub więcej, zadbaj o jakość sygnału. Użyj skrętki lub kabla ekranowanego, zwolnij prędkość transmisji np. z 115200 do 19200 bit/s i upewnij się, że przewody są z dala od źródeł zakłóceń elektrycznych. Dla naprawdę długich linii rozważ zastosowanie układów RS-485 – to standard oparty na UART, ale wykorzystujący linię różnicową, przystosowany do transmisji na setki metrów w trudnych warunkach. W przeciętnym projekcie hobbystycznym raczej nie będzie to potrzebne, ale warto mieć świadomość, że zwykły UART najlepiej sprawdza się na krótkich połączeniach.

Typowe błędy i jak ich unikać

Przy pracy z UART początkujący często napotykają powtarzające się problemy. Oto lista najczęstszych błędów oraz wskazówki, jak im zapobiegać:

Zamienione linie TX/RX – klasyczny błąd przy podłączaniu: połączenie wyjścia TX urządzenia A do wyjścia TX urządzenia B i analogicznie RX do RX. W takiej konfiguracji urządzenia nadają „w próżnię” i nic nie odbierają. Rozwiązanie: zawsze krzyżuj linie TX jednej strony do RX drugiej i vice versa. Warto dwukrotnie sprawdzić oznaczenia na modułach, bo np. pin opisany jako TXD na czujniku oznacza jego nadajnik, który powinien być podłączony do odbiornika RX mikrokontrolera.
Brak wspólnej masy – zdarza się, że zapomnimy podłączyć masy między urządzeniami, szczególnie gdy zasilamy je z osobnych źródeł. Wówczas sygnały nie mają wspólnego punktu odniesienia i transmisja nie może zajść odbiornik nie „wie”, co jest stanem wysokim, a co niskim. Rozwiązanie: zawsze łącz razem piny GND wszystkich urządzeń w komunikacji. W projektach na płytce stykowej zwykle masa i tak jest wspólna, ale przy łączeniu np. modułu USB-UART z zewnętrznym układem trzeba pamiętać o dołączeniu także przewodu GND.
Nieprawidłowa konfiguracja parametrów – jeśli urządzenia mają różne ustawienia UART choćby minimalnie, dane nie będą poprawnie odczytywane. Typowym objawem są „dziwne znaki” na ekranie zamiast oczekiwanych danych. Przyczyny: pomyłka w ustawieniu baud np. jedna strona 9600, druga 115200, inna liczba bitów np. 7 vs 8, włączony bit parzystości po jednej stronie a wyłączony po drugiej, itp. Rozwiązanie: upewnij się, że oba urządzenia używają dokładnie tych samych ustawień UART. Gdy korzystasz z gotowych modułów lub oprogramowania, sprawdź dokumentację np. wiele modułów Bluetooth domyślnie pracuje z prędkością 38400 baud, co trzeba uwzględnić. W razie problemów zmniejsz prędkość transmisji przy niższych baudach łatwiej o stabilną komunikację podczas testów.
Niezgodne poziomy napięć – jak wspomniano, połączenie UART urządzeń o różnych poziomach logicznych bez konwersji może powodować kłopoty. Objawy to brak komunikacji lub nawet uszkodzenie sprzętu. Przykładowo, moduł na 3,3 V może nie odbierać sygnałów 5 V bo mogą przekraczać dopuszczalne napięcie wejściowe albo odbierać je błędnie. Rozwiązanie: stosuj konwertery logiczne lub dobieraj urządzenia o tym samym poziomie napięć. Dla pewności sprawdź, czy dany pin modułu nie jest opisany jako 5V-tolerant niektóre wejścia RX w modułach Wi-Fi/Bluetooth tolerują 5 V, ale to nie jest reguła. W przypadku łączenia z prawdziwym portem RS-232 konieczny jest konwerter poziomów np. MAX232 lub PL2303 nigdy nie łącz sygnałów TTL z RS-232 bezpośrednio!
Brak konwertera USB/RS-232 – ten błąd dotyczy głównie prób podłączenia urządzenia UART do komputera. Początkujący czasem próbują wykorzystać w komputerze port audio jack lub inne złącze, mylnie biorąc je za „port szeregowy”. Prawdziwy port szeregowy RS-232 jeśli nawet jest w PC, wymaga poziomów ±12 V nie podłączymy mikrokontrolera do gniazda DB9 bezpośrednio. Rozwiązanie: używaj dedykowanych adapterów USB-UART, które zapewniają kompatybilność. To niewielkie układy kosztujące kilka-kilkanaście złotych, często na chipach FT232, CH340, PL2303 itp. Taki adapter wpinamy do USB, a jego wyjścia TX, RX, GND łączymy z naszym urządzeniem. Komputer widzi to jako standardowy port COM. Jeśli projektujesz urządzenie komunikujące się z PC, rozważ wbudowanie takiego konwertera wiele nowoczesnych mikrokontrolerów ma już wbudowany interfejs USB udający UART.
Przepełnienie bufora odbiorcy – brak utraty danych nie zawsze jest gwarantowany, zwłaszcza gdy jedna strona nadaje dużo szybciej niż druga jest w stanie odbierać. W praktyce wygląda to tak, że początkowo transmisja idzie dobrze, ale przy dłuższym strumieniu danych odbiorca zaczyna gubić końcówki wiadomości lub zgłaszać błędy. Przyczyna: zbyt wolne przetwarzanie danych po stronie odbiorczej np. mikrokontroler otrzymuje bajty szybciej niż jest w stanie je zapisać na kartę SD czy wyświetlić, przez co jego bufor UART się zapełnia. Rozwiązanie: jeśli musisz przesłać większy blok danych, zaimplementuj prosty protokół sterujący np. dziel dane na paczki i wysyłaj kolejną dopiero po otrzymaniu potwierdzenia od odbiorcy, że przetworzył poprzednią handshaking programowy. Alternatywnie włącz sprzętową kontrolę RTS/CTS, która automatycznie wstrzyma nadawanie, gdy bufor odbiorczy się zapełni.
Zakłócenia elektromagnetyczne – objawiają się losowymi błędami transmisji, szczególnie przy większych odległościach kabli lub w środowisku z „zaszumionym” polem elektromagnetycznym silniki, przekaźniki, fale radiowe. Mogą powodować przekłamanie pojedynczych bitów, co odbiornik z reguły zgłosi jako błąd parzystości lub framing error. Rozwiązanie: oprócz redukcji prędkości i użycia lepszych kabli, można wprowadzić programowe mechanizmy wykrywania i korekcji błędów np. dodawać sumy kontrolne do przesyłanych wiadomości i w razie wykrycia błędu żądać retransmisji. W systemach krytycznych stosuje się protokoły z wielokrotnym nadawaniem pakietu lub kodami korygującymi, ale to już zaawansowane zagadnienia wykraczające poza podstawy UART. W zwykłych warunkach krótkie połączenia, w miarę czyste środowisko UART działa bardzo pewnie i błędy zdarzają się rzadko. Jeśli jednak Twój układ będzie pracował np. w pobliżu silników lub długich kabli, warto przewidzieć taką możliwość.

Podsumowanie

Interfejs UART to fundamentalny element komunikacji w elektronice prosty, tani w implementacji i zaskakująco wszechstronny. Choć ustępuje szybkością nowocześniejszym standardom, jego niezawodność na krótkich dystansach i minimalne wymagania sprzętowe sprawiają, że wciąż znajduje zastosowanie w niezliczonych urządzeniach. Dla początkujących majsterkowiczów UART stanowi świetny punkt startowy do nauki wymiany danych między układami cyfrowymi – pozwala zrozumieć, jak bit po bicie przekazywana jest informacja.

Prezentowaną w artykule elektronikę znajdziesz oczywiście w naszym sklepie 👉 sklep.msalamon.pl 👈Zapraszamy również na nasze social media, gdzie na bieżąco informujemy o nowych produktach oraz o najciekawszych promocjach 😎👇