أساسيات UART: الأسلاك، التوقيت، معدل البود، والمشاكل الشائعة

UART هو طريقة اتصال تسلسلية شائعة تستخدم في العديد من الأنظمة المدمجة. يرسل البيانات بتة تلو الأخرى دون وجود خط ساعة مشترك، مستخدما إعدادات مطابقة للحفاظ على التزامن. تعتمد روابط UART الموثوقة على الأسلاك الصحيحة، ومعدل البود، وتنسيق الإطار، ومستويات الجهد، وتوقيت الإشارة. تقدم هذه المقالة معلومات حول تشغيل UART، وإعدادها، واستخداماتها، والمشاكل الشائعة.

أساسيات جهاز الاستقبال-المرسل غير المتزامن العالمي (UART)

UART تعني المستقبل-المرسل غير المتزامن الشامل. هي واجهة اتصال تسلسلية تنقل البيانات بتة واحدة في كل مرة بين الأجهزة المتصلة. كتلة UART مدمجة في العديد من المتحكمات الدقيقة، والمعالجات، وشرائح الاتصال، والوحدات المدمجة. يقوم بتحويل البيانات المتوازية إلى تدفق تسلسلي أثناء الإرسال ويعيد تحويل البيانات التسلسلية الواردة إلى بايتات أثناء الاستقبال. لا يستخدم UART خط ساعة مشترك. بدلا من ذلك، يبقى كلا الجهازين متزامنين باستخدام إعدادات اتصال مطابقة واكتشاف بداية ونهاية كل إطار بيانات.

أسباب بقاء UART شائعة

• يستخدم فقط عدد قليل من خطوط الإشارة

• من السهل إعدادها للتواصل المباشر

• يتم تضمينها في العديد من الأجهزة المدمجة

• يدعم الإخراج القابل للقراءة عبر الطرفيات التسلسلية

كيف تعمل إطارات UART وتوقيتها؟

أجزاء إطار UART

الإعدادات الرئيسية ل UART

معدل البودية يحدد سرعة إرسال البتات. معدلات البودات الأعلى تزيد من سرعة النقل لكنها تتطلب توقيتا أكثر دقة ومسار إشارة أنظف. الاتصال ب UART يعتمد أيضا على مطابقة إعدادات الإطار على كلا الجانبين.

معدلات البود الشائعة

طول الإطار وكفاءة البيانات

يؤثر طول الإطار على كمية البيانات المفيدة التي يتم نقلها في كل إرسال. يمكن لرابطين من UART استخدام نفس معدل البود، لكنهما لا يزالان يقدمان معدل بيانات فعال مختلف إذا اختلفت تنسيقات الإطارات بينهما. على سبيل المثال، يستخدم 8N1 و7E1 أعدادا مختلفة من إجمالي البتات لكل إطار، لذا فإن كمية بيانات الحمولة لكل إطار ليست متساوية.

أسلاك UART، مستويات الجهد، والتحكم في التدفق

يستخدم اتصال UART الأساسي ثلاث إشارات رئيسية: TX، RX، وGND. يتصل دبوس الإرسال لجهاز بدبوس RX للجهاز الآخر، ويجب أن يشترك كلا الجهازين في نفس الأرضي ليتم قراءة مستويات الإشارة بشكل صحيح.

تستخدم العديد من المتحكمات الدقيقة والوحدات مستويات UART من TTL أو CMOS، وغالبا عند 3.3 فولت أو 5 فولت. قد تستخدم الأنظمة التسلسلية القديمة RS-232، الذي له نطاق جهد وطريقة إشارة مختلفة، لذا فهو غير متوافق مباشرة مع TTL UART. يستخدم جهاز إرسال واستقبال بتغيير المستوى عند توصيل هذه المعايير.

تستخدم بعض روابط UART أيضا التحكم في التدفق لمنع فقدان البيانات عندما لا يستطيع أحد الطرفين قبول البايتات الواردة بسرعة كافية.

قواعد الأسلاك الأساسية ل UART

• الإرسال من جهاز يتصل بجهاز RX على الجهاز الآخر

• يتصل الوصفة من أحد الأجهزة بجهاز التوصيل في الجهاز الآخر

• يجب توصيل الأرض من كلا الجانبين

معايير UART الكهربائية

طرق التحكم الشائعة في التدفق

• التحكم في تدفق الأجهزة يستخدم خطوط RTS وCTS

• التحكم في تدفق البرامج يستخدم أرمز XON وXOFF

يستخدم التحكم في تدفق الأجهزة خطوط تحكم منفصلة لإدارة تدفق البيانات. التحكم في تدفق البرمجيات يقلل من عدد الأسلاك، لكنه يستخدم أحرف تحكم داخل تدفق البيانات.

كيف يعمل UART داخل الجهاز؟

داخل الجهاز، يحتوي ملحق UART على عدة أجزاء تتعامل مع إرسال واستقبال البيانات. غالبا ما تشمل هذه الأجزاء قسم الإرسال، وقسم الاستقبال، وسجلات الإزاحة، وأعلام الحالة، ومخازن FIFO. عند إرسال البيانات، يضع البرنامج بايتا في UART، ويقوم الجهاز بإضافة بت البداية، وبت التماثل الاختياري، وبت التوقف قبل إرسال الإطار الكامل عبر خط الإرسال (TX).

عند استقبال البيانات، يراقب UART خط RX بحثا عن بت بداية صالح. ثم يقوم بأخذ عينات من الإشارة في الوقت المناسب، ويعيد بناء البايت، ويتحقق من تنسيق الإطار، ويخزن البيانات حتى يتمكن البرنامج من قراءتها لاحقا.

كما تبلغ ملحقات UART عن حالة وحالات الخطأ، بينما تحتوي مخازن FIFO على عدة بايتات لتقليل البيانات الفائتة عندما لا تستجيب البرمجيات فورا.

حالة UART الشائعة وعلامات الأخطاء

• مخزن الإرسال فارغ

• تخزين مؤقت كامل

• خطأ التماثل

• خطأ في التأطير

• خطأ تجاوز

الاستخدامات الشائعة ل UART في الأنظمة المدمجة

• تصحيح أخطاء الطرفية التسلسلية

• التواصل بين المتحكم الدقيق والوحدة

• روابط تحديث محمل الإقلاع والبرنامج الثابت

• واجهات بسيطة للأوامر والاستجابة

• تسجيل البيانات والتشخيص

• الوصول المدمج إلى لوحة التحكم

إعداد UART والاختبار واستكشاف الأخطاء 

إعداد رابط UART يبدأ باختيار إعدادات الاتصال المتوافقة ومستويات الإشارة. يساعد الاختبار في التأكد من أن الرابط موصل بشكل صحيح، وتم تكوينه بشكل صحيح، وإرسال إطارات بيانات صحيحة.

تخطيط الروابط وتكوين الجهاز

اختر معدل البود، وتنسيق الإطار، ومعيار الجهد، وطريقة التحكم في التدفق قبل إجراء الاتصال. ثم قم بتفعيل أجهزة UART في البرنامج وقم بتكوين أي مخازن مؤقتة أو إعدادات FIFO مطلوبة. دقة الساعة، جودة الكابل، ومعدل البيانات المتوقع تؤثر أيضا على أداء الوصلات.

التحقق من صحة التواصل

تحقق من الرابط بإرسال نمط بيانات معروف أو نص قابل للقراءة. يمكن أن يساعد الطرفية التسلسلية، أو محول USB إلى UART، أو محلل منطقي، أو راسم إشارة إشارة في التأكد من صحة الإطارات وأن الخط يبقى في حالة الخمول الصحيحة بين الإرسالات.

دليل مسائل UART 6.3

فحوصات استكشاف الأخطاء وإصلاحها

• تأكد من أن TX وRX تم تقاطعهما بشكل صحيح

• التأكد من أن كلا الجانبين يشتركان في نفس الأرض

• التحقق من معدل البودز وتنسيق الإطار على كلا الطرفين

• تحقق مما إذا كانت مستويات الإشارة هي TTL/CMOS أو RS-232

• تقليل معدل البودات إذا اشتبه بوجود خطأ توقيت أو ضوضاء

• مراجعة علامات أخطاء UART في البرنامج

• اختبار باستخدام أدوات طرفية معروفة أو محولات

مقارنة UART وSPI وI2C 

UART وSPI وI2C هي طرق اتصال تسلسلية شائعة، لكنها تعمل بطرق مختلفة. يستخدم UART وصلة مباشرة بين جهازين ولا يحتاج إلى خط ساعة. يستخدم SPI ساعة ومسارات بيانات منفصلة لتسهيل الاتصال. يستخدم I2C أيضا ساعة الساعة، لكنه يسمح لعدة أجهزة بمشاركة نفس الحافلة من خلال العناوين المدمجة.

مقارنة الواجهة 7.1

يناسب UART الروابط البسيطة والمباشر والوصول إلى الطرفيات. SPI يناسب الاتصالات عالية السرعة. يتعامل مع I2C في حالات حيث تشترك عدة أجهزة في ناقل واحد مع خطوط إشارة أقل.

الخاتمة

لا تزال UART مستخدمة لأنها توفر اتصالا بسيطا ومباشرا مع تعقيد منخفض في الأجهزة. يعتمد أدائه على الإعدادات المتطابقة، وتوصيل التوصيل والإرسال الصحيح، والتأريض المشترك، ومستويات الجهد المتوافقة، والتعامل الصحيح مع التوقيت، والتخزين المؤقت، وعلامات الخطأ. فهم هيكل الإطار، معدل البود، التحكم في التدفق، وأسباب الأعطال الشائعة يساعد في تفسير سبب فشل روابط UART وكيفية الحفاظ على الاتصال المستقر في الأنظمة المدمجة.

الأسئلة الشائعة [الأسئلة الشائعة]

هل يمكن لجهاز UART الإرسال والاستقبال في نفس الوقت؟

نعم. يدعم UART الاتصال المزدوج الكامل، بحيث يمكنه إرسال البيانات على الإرسال أثناء الاستقبال على النسخة المرجعية في نفس الوقت.

ماذا يعني 8N1 في UART؟

8N1 تعني 8 بتات بيانات، بدون تكافؤ، وبت توقف واحد.

هل يمكن لجهاز UART الاتصال بعدة أجهزة؟

ليس بشكل مباشر. UART مخصص بشكل أساسي للتواصل واحد لواحد ولا يتضمن العناوين المدمجة.

هل معدل البودي هو نفسه معدل البت في UART؟

في UART القياسي، نعم. يتم التعامل معها على أنها متشابهة لأن كل رمز يحمل بتة واحدة.

لماذا تستخدم محول USB إلى UART؟

يسمح للحاسوب بالتواصل مع واجهة UART عبر USB.

هل يشمل UART التشفير أم تصحيح الأخطاء المتقدم؟

لا. لا يتضمن UART التشفير أو تصحيح الأخطاء المتقدم بمفرده.