UART - Der universelle asynchrone Empfänger-Sender (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)

UART ist eine serielle Vollduplex-Schnittstelle. Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen zwei Geräten über nur drei Drähte und unterstützt variable Geschwindigkeiten.

UART-Eigenschaften

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei UART um eine asynchrone Schnittstelle. Im Gegensatz zu SPI oder I2C ist kein eigener Taktgeber erforderlich. Die beiden Geräte müssen lediglich die gleiche Übertragungsgeschwindigkeit verwenden. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist variabel und gibt an, wie viele Bits der Bus pro Sekunde senden kann (Bits/s).

Auch das Datenformat ist konfigurierbar. Eine andere Möglichkeit, die Übertragungsgeschwindigkeit zu messen, ist die Baudrate (Baud/s), wobei ein Baud ein Symbol oder Zeichen ist. Wenn also ein Baud aus 8 Bits besteht, bedeutet dies, dass eine Bitrate von 115200 Bits/s 14400 Bauds/s entspricht.

UART verwendet zwei Datenleitungen, so dass die Kommunikation in den meisten Fällen vollduplex ist (beide Richtungen gleichzeitig). Außerdem benötigen beide UART-Geräte eine Leitung zur gemeinsamen Nutzung der Referenzspannung GROUND. In der Summe bedeutet dies, dass Sie nur drei Drähte benötigen.

Verkabelung

Ein UART-Gerät benötigt drei Pins zur Kommunikation. RX zum Lesen, TX zur Übermittlung und GND für Erdungsbezug.

Verbinden Sie die RX-Pins beider Geräte mit den TX-Pins des anderen Geräts. Verbinden Sie beide GND-Pins und Sie sind fertig mit der Hardware-Einrichtung.

Theoretisch könnten Sie sogar die RX-Pins mehrerer Geräte mit dem TX-Pin eines Geräts verbinden. Auf diese Weise können Sie, wenn Sie wissen, was Sie tun, ein Gerät die Daten an mehrere Geräte senden lassen. Allerdings kann der RX-Stift eines Geräts jeweils nur mit einem TX-Stift verbunden werden.

UART-Kommunikation

Sie müssen beide Geräte auf die gleiche Baudrate einstellen. Wenn sie um mehr als 3% abweicht, werden die Daten verfälscht. Gängige Baudraten sind unter anderem 4800, 9600, 19200 und 115200. Außerdem müssen sich beide Geräte auf das gleiche Datenformat und Paritätsbit einigen. Das Paritätsbit dient der Überprüfung der übertragenen Daten auf Fehler.

Jedes Mal, wenn ein Gerät Daten übertragen will, beginnt es mit dem Senden des Startbits.

Der Ruhezustand der Datenleitung ist HIGH, so dass der Sender sie für einen Taktzyklus auf LOW zieht. Dann zieht er die Leitung für eine 0 auf LOW und für eine 1 auf HIGH, und zwar genau in der Frequenz der Baudrate. Nach jedem Datenrahmen sendet er ein Paritätsbit, wenn eine Fehlerprüfung gewünscht ist. Dann wird die Leitung auf HIGH gesetzt, um das Stoppbit zu signalisieren.

Vorteile, Nachteile und Anwendungen

Vorteile

Der größte Vorteil ist die Einfachheit von UART. Sowohl die Software als auch die Hardware sind extrem einfach einzurichten. Die variable Geschwindigkeit bedeutet, dass der Stromverbrauch sehr niedrig gehalten werden kann. Und natürlich ermöglicht die Schnittstelle eine Vollduplex-Kommunikation.

Außerdem können die Daten über große Entfernungen von bis zu 1000 Metern übertragen werden.

Benachteiligungen

Die Schnittstelle ist grundsätzlich auf zwei Geräte beschränkt. Außerdem gibt es keinen Taktgeber, um die Übertragungsgeschwindigkeit während der Übertragung zu steuern und zu ändern. In den meisten Fällen ist sie langsamer als zum Beispiel SPI oder I2C.

UART-Anwendungen

UART ist sehr gut in der Lage, kleinere Datenmengen zu senden. Er wird von vielen GPS-Empfängern, Bluetooth-Modulen und drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet. oder RFID-basierte Anwendungen.

Sie können die Schnittstelle auch verwenden, um Ihren Raspberry Pi mit Ihrem Raspberry Pi Pico zu verbinden, wie wir in diesem Video zeigen.

Er eignet sich auch gut für Anwendungen mit großer Reichweite, bei denen SPI und I2C nicht in Frage kommen.