Was ist UART und wie funktioniert es?

UART steht für Universal Asynchronous Receiver and Transmitter. Es ist eine Kommunikationstechnologie, die nur zwei Datenleitungen benötigt: eine zum Senden von Daten (TX – Transmit) und eine zum Empfangen von Daten (RX – Receive). Im Gegensatz zu anderen Kommunikationsprotokollen verwendet UART keine Clock zum Takten des Signals, sondern Start- und Stop-Bits. Das bedeutet, dass die Daten asynchron übertragen werden, wodurch flexiblere Kommunikationsverbindungen möglich sind.

Die Funktionsweise von UART ist relativ einfach. Sobald der Empfänger das Start-Bit empfängt, beginnt er mit dem Lesen der Daten und stoppt, wenn das Stop-Bit erreicht ist. Die Geschwindigkeit, mit der die Daten gesendet werden, wird durch die BAUD-Rate festgelegt und darf nur maximal 10 % von den beiden Geräten abweichen. Ein UART-Paket besteht aus einem Start-Bit (LOW), 8 Daten-Bits einschließlich eines Paritäts-Bits zur Fehlerprüfung und 1 oder 2 Stop-Bits (HIGH). Das Paritäts-Bit gibt an, ob die Anzahl der HIGH-Bits eine gerade oder ungerade Nummer ergibt und dient zur groben Überprüfung der Datenintegrität.

UART wird in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt. Es findet Verwendung in der seriellen Kommunikation zwischen Mikroprozessoren, Mikrocontrollern und Peripheriegeräten wie Sensoren, Aktoren oder Displays. Durch seine einfache und kostengünstige Implementierung ist UART weit verbreitet und bietet eine zuverlässige Datenübertragung. Es stellt eine wichtige Grundlage für die Kommunikation in vielen elektronischen Systemen dar.

Erklären Sie den Prozess der Datenübertragung über UART und die Rolle von Start- und Stopbits

Bei der Datenübertragung über UART, was für Universal Asynchronous Receiver and Transmitter steht, werden Informationen über nur zwei Datenleitungen gesendet und empfangen: eine zum Senden von Daten (TX) und eine zum Empfangen von Daten (RX). Im Gegensatz zu anderen Übertragungsprotokollen verwendet UART keine Clock zum Takten des Signals. Stattdessen kommen Start- und Stop-Bits zum Einsatz.

Sobald der Empfänger das Start-Bit empfängt, beginnt er, die Daten zu lesen, bis er das Stop-Bit erreicht. Während dieser Datenübertragung werden die Informationen in Pakete aufgeteilt. Ein typisches 8-Bit-Paket besteht aus einem Start-Bit (LOW), 8 Datenbits (einschließlich einem Paritätsbit zur Fehlerprüfung) und 1 oder 2 Stop-Bits (HIGH).

Die Geschwindigkeit, mit der die Daten gesendet werden, wird durch die BAUD-Rate festgelegt. Die BAUD-Rate bestimmt, wie viele Datenbits pro Sekunde übertragen werden können. Sie darf nur maximal um 10 % von den beiden Geräten abweichen. Das Paritätsbit in jedem Datenpaket gibt an, ob die Anzahl der HIGH-Bits eine gerade oder ungerade Nummer ergibt. Dadurch kann eine grobe Überprüfung der Datenintegrität erfolgen.

Am Ende der Übertragung werden ein oder zwei Stop-Bits gesetzt, um den Abschluss des Pakets zu kennzeichnen. Es ist wichtig zu beachten, dass bei der Datenübertragung über UART das LSB (least significant bit) zuerst gesendet wird, was bedeutet, dass die Daten in umgekehrter Reihenfolge übertragen werden.

Baudrate bei UART: Eine kurze Erklärung und ihre Bedeutung

Die Baudrate ist eine Maßeinheit für die Übertragungsgeschwindigkeit oder -rate. Sie gibt an, wie viele Signalwechsel pro Sekunde stattfinden. Im Falle einer UART-Kommunikation, wie zum Beispiel bei RS232, entspricht ein Signalwechsel dem Senden eines Bits. Die Baudrate bestimmt somit, wie viele Bits pro Sekunde übertragen werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Baudrate oft fälschlicherweise mit Bit/s (Bits pro Sekunde) gleichgesetzt wird. Das ist jedoch nicht korrekt. Die Baudrate gibt lediglich an, wie schnell die Übertragungsschritte erfolgen, während die Bitrate die tatsächliche Datenrate angibt.

Bei der UART-Kommunikation können auch mehrere Bits pro Baud übertragen werden, besonders wenn verschiedene Spannungspegel verwendet werden. Beispielsweise werden bei analogen Modems nach dem V.34-Standard durchschnittlich 8,4 Bits pro Baud übertragen, was zu einer Datenrate von 28800 Bit/s bei 3429 Baud führt.

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Um die Baudrate bei UART einzustellen, werden bestimmte Werte für UARTs wie AVR, 8051, etc. verwendet. Eine häufig verwendete Quarzfrequenz zur Erzeugung dieser Baudraten ist 1,8432 MHz oder ein Vielfaches davon. Es ist auch möglich, höhere Quarzfrequenzen zu verwenden, um diese Baudraten mit 0% Fehler zu generieren, jedoch wird dann ein spezieller Baudratenquarz benötigt.

  • Baud ist eine Maßeinheit für die Übertragungsgeschwindigkeit.
  • Baud steht für die Geschwindigkeit der Signalwechsel.
  • Die Baudrate bei UART bestimmt, wie viele Bits pro Sekunde übertragen werden.
  • Die Baudrate wird oft fälschlicherweise mit der Datenrate gleichgesetzt.
  • Bei UART können auch mehrere Bits pro Baud übertragen werden.
  • Es gibt standardisierte Baudraten für die Konfiguration von UARTs.
  • Eine Quarzfrequenz von 1,8432 MHz oder deren Vielfache wird oft verwendet.
  • Höhere Quarzfrequenzen können für eine genaue Baudratenerzeugung verwendet werden.

Datenformate bei UART erklärt

UART steht für Universal Asynchronous Receiver and Transmitter und ermöglicht die Kommunikation über nur zwei Datenleitungen: eine zum Senden von Daten (TX – Transmit) und eine zum Empfangen von Daten (RX – Receive). Im Gegensatz zu anderen Kommunikationsprotokollen verwendet UART keine Clock zum Takten des Signals, sondern Start- und Stop-Bits. Die Geschwindigkeit, mit der die Daten gesendet werden, wird durch die BAUD-Rate festgelegt und darf nur maximal 10% von den beiden Geräten abweichen.

Das Datenformat bei UART wird durch eine Kombination von Zahlen und Buchstaben dargestellt. Eine gängige Darstellung ist das 8-N-1 Datenformat. Hier steht das «8» für die Anzahl der Datenbits, das «N» für kein Paritätsbit und das «1» für ein Stop-Bit. Das Paritätsbit wird zur Fehlerprüfung verwendet und gibt an, ob die Anzahl der HIGH-Bits in den Daten eine gerade oder ungerade Nummer ergibt. Eine grobe Überprüfung der Datenintegrität kann somit durchgeführt werden.

Ein weiteres Beispiel für ein Datenformat bei UART ist das 7-E-2 Format. Hier wird ein 7-Bit-Datenwort verwendet, das durch ein Paritätsbit ergänzt wird (E = even parity). Es werden zwei Stop-Bits gesendet, um sicherzustellen, dass das Signal stabil bleibt und korrekt erkannt wird. Diese Datenformate ermöglichen eine zuverlässige Kommunikation über die UART-Schnittstelle und werden je nach Anwendungsfall ausgewählt.

Erklärung der Methoden zur Fehlererkennung und -korrektur bei UART

Bei der UART-Kommunikation geht es um die Übertragung von Daten zwischen einem Sender und einem Empfänger über eine serielle Schnittstelle. Eine wichtige Frage, die sich dabei stellt, ist die Fehlererkennung und -korrektur. Es gibt verschiedene Methoden, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren, wie zum Beispiel Paritätsbits und CRC (Zyklische Redundanzprüfung).

Paritätsbits sind eine einfache Methode, um Fehler in der Übertragung zu erkennen. Dabei wird ein zusätzliches Bit der Datenbytes hinzugefügt, das die Anzahl der Einsen im Byte überprüft. Wenn die Anzahl der Einsen gerade ist, wird ein gerades Paritätsbit hinzugefügt, andernfalls ein ungerades. Der Empfänger kann dann überprüfen, ob die Anzahl der Einsen im empfangenen Byte mit dem Paritätsbit übereinstimmt. Wenn nicht, liegt ein Fehler vor.

Ein weiteres Verfahren zur Fehlererkennung und -korrektur bei UART ist die CRC. Dabei werden die Datenbytes mit einer speziellen Prüfsumme verknüpft, die aus dem Inhalt der Daten berechnet wird. Der Empfänger kann dann die Prüfsumme neu berechnen und mit der empfangenen Prüfsumme vergleichen. Wenn sie übereinstimmen, werden die Daten als korrekt betrachtet. Wenn nicht, liegt ein Fehler vor und es muss eine erneute Übertragung angefordert werden.

Insgesamt gibt es verschiedene Methoden zur Fehlererkennung und -korrektur bei UART. Paritätsbits und CRC sind zwei der häufig verwendeten Methoden. Sie bieten eine relativ einfache Möglichkeit, Fehler zu erkennen und zu korrigieren, um eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten.

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Vorteile von UART gegenüber anderen Kommunikationsprotokollen

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) und SPI (Serial Peripheral Interface) sind wichtige Aspekte des Entwurfs und der Entwicklung eingebetteter Systeme. In diesem Artikel werden wir die Vorteile von UART im Vergleich zu anderen Kommunikationsprotokollen genauer untersuchen.

  • 1. Hardware-Chip vs. Kommunikationsprotokoll: UART ist ein Hardware-Chip, während SPI ein Kommunikationsprotokoll ist. Das bedeutet, dass UART direkt in den Mikrocontroller integriert ist und als eigenständige Hardware funktioniert, während SPI ein Softwareprotokoll ist, das eine spezielle Konfiguration des Mikrocontrollers erfordert.
  • 2. Anzahl der benötigten Pins: UART benötigt nur zwei Pins, während SPI mindestens vier Pins benötigt. Dies macht UART für Anwendungen mit begrenztem Platz attraktiver, da es weniger Pins benötigt und somit Platz auf der Platine spart.
  • 3. Kommunikationsmodi: UART unterstützt in der Regel eine 1:1-Kommunikation, während SPI das Master/Slave-Paradigma nutzen kann, um mehrere Geräte anzuschließen. Dadurch kann UART in bestimmten Anwendungsfällen effizienter sein, in denen eine direkte Kommunikation zwischen zwei Geräten erforderlich ist.
  • 4. Geschwindigkeit: SPI ist schneller als UART und kann in einigen Fällen bis zu dreimal schneller sein. Dies macht SPI ideal für Anwendungen, die eine schnelle Datenübertragung erfordern, wie zum Beispiel Sensoranwendungen oder die Steuerung von Peripheriegeräten.
  • 5. Platzbedarf: SPI-Geräte nehmen im Allgemeinen weniger Platz auf der Platine ein als UART-Chips. Dieser geringere Platzbedarf macht SPI für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, wie zum Beispiel in mobilen Geräten, attraktiver.
  • 6. Kommunikationsart: UART-Kommunikation ist asynchron, während SPI synchron ist. Dies bedeutet, dass UART keine strikte zeitliche Synchronisierung zwischen den Kommunikationspartnern erfordert, was es flexibler und einfacher zu implementieren macht. Hingegen erfordert SPI eine strikte Synchronisierung, um die Daten zwischen den Geräten korrekt zu übertragen.

Insgesamt bietet UART aufgrund seiner Einfachheit, geringen Anzahl von Pins und der Möglichkeit der 1:1-Kommunikation Vorteile für bestimmte Anwendungsfälle. Auf der anderen Seite bietet SPI eine höhere Geschwindigkeit und die Möglichkeit, mehrere Geräte anzuschließen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Wahl des Kommunikationsprotokolls von den spezifischen Anforderungen der Anwendung abhängt und dass jede Option ihre eigenen Vor- und Nachteile hat.

Anwendungsbereiche von UART

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ist eine elektronische Schaltung, die zur Realisierung digitaler serieller Schnittstellen dient. Diese Schnittstelle wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt. In der Computerkommunikation bildet UART den Standard der seriellen Schnittstellen an PCs und Mikrocontrollern. Es ermöglicht das Senden und Empfangen von Daten über eine Datenleitung. Durch die Verwendung von UART-Schnittstellen können Geräte miteinander kommunizieren und Informationen austauschen.

Im industriellen Bereich ist die Verwendung von UART-Schnittstellen ebenfalls weit verbreitet. Sie werden häufig mit verschiedenen Interfaces wie RS-232 oder EIA-485 eingesetzt. Dies ermöglicht die Kommunikation und Steuerung von Geräten in industriellen Steuerungssystemen. Die hohe Zuverlässigkeit und Flexibilität von UART macht es zu einer beliebten Lösung für die Datenübertragung und Kommunikation in industriellen Umgebungen.

UART-Technologie hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Ursprünglich für niedrige Datenübertragungsraten entwickelt, erreichen moderne UART-Chips heute mehrere Megabit pro Sekunde. Dies hat zu einer weiteren Verbreitung von UART-Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie der Automatisierungstechnik, Telekommunikation und Medizin geführt.

Eine interessante Modifikation von UART ist das Single-Wire UART (SWART). Dies ermöglicht die Kommunikation von beliebigen Modulen über einen einzigen Draht. Obwohl SWART auf kurze Entfernungen und Datenraten bis 115.200 Baud begrenzt ist, bietet es dennoch eine kostengünstige und einfache Lösung für bestimmte Anwendungsfälle.

  • UART ist in der Computerkommunikation weit verbreitet und bildet den Standard der seriellen Schnittstellen an PCs und Mikrocontrollern.
  • Im industriellen Bereich wird UART mit verschiedenen Interfaces wie RS-232 oder EIA-485 zur Kommunikation und Steuerung von Geräten eingesetzt.
  • Dank der Weiterentwicklung der Technologie erreichen moderne UART-Chips heute hohe Datenübertragungsraten und finden Anwendung in Bereichen wie der Automatisierungstechnik, Telekommunikation und Medizin.
  • Das Single-Wire UART (SWART) ermöglicht die Kommunikation von Modulen über einen einzigen Draht, ist jedoch auf kurze Entfernungen und begrenzte Datenraten beschränkt.
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Hardware für die Verwendung von UART

UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) ist eine serielle Schnittstelle, die für die Datenübertragung zwischen einem Mikrocontroller und einem PC verwendet wird. Um die UART eines Mikrocontrollers zu nutzen, muss die Konfiguration um folgende Komponenten erweitert werden:

  • MAX232: Ein Pegelwandler, der die -12/+12 Volt-Signale an der seriellen Schnittstelle des PCs mit den 5/0 Volt-Pegeln des Mikrocontrollers kompatibel macht.
  • C1: Ein kleiner elektrolytischer, tantalischer oder keramischer Kondensator, der zur Entkopplung der Versorgungsspannungen digitaler ICs verwendet wird.
  • C2…C5: Elektrolytische, tantalische oder keramische Kondensatoren (die genauen Werte entnehmen Sie bitte dem Datenblatt der verwendeten MAX232-Version). Der genaue Wert ist relativ unwichtig, aber ein Bereich von 1 µF bis 47 µF mit einer Spannungsfestigkeit von 16 V oder höher sollte funktionieren.
  • X1: Ein weiblicher 9-poliger SUB-D-Stecker.
  • Die Verbindung zwischen PC und Mikrocontroller erfolgt über ein 9-poliges Modemkabel (ein Verlängerungskabel, kein Nullmodemkabel), das mit dem seriellen Anschluss des PCs verbunden wird. Bei einem Modemkabel sind die Pins 2 und 3 eines Endes mit den Pins 2 und 3 des anderen Endes verbunden. Bei einem Nullmodemkabel sind die Leitungen gekreuzt, so dass Pin 2 einer Seite mit Pin 3 auf der anderen Seite und umgekehrt verbunden ist.

Die Baudrate für die UART muss im UBRR-Register konfiguriert werden. Die Formel zur Berechnung des Wertes, der in das Register geschrieben werden soll, lautet: UBRR = (Taktfrequenz (in Hz)) / (16 * Baudrate) – 1.

Es wird empfohlen, bei der Verwendung der UART im asynchronen Modus einen Quarz- oder Kristalloszillator zu verwenden, da der interne RC-Oszillator der Mikrocontroller nicht sehr präzise ist. Der interne Oszillator ist auch temperaturabhängig. Die Berechnung von UBRR sollte berücksichtigen, ob die gewünschte Baudrate mit einem Fehler von weniger als 1% mit der ausgewählten Taktquelle erzeugt werden kann. Das Datenblatt enthält Formeln und Tabellen für diese Berechnung.

Das gegebene Codebeispiel enthält Makros zur Berechnung von UBRR, einschließlich Fehlerberechnung und Fehlerüberprüfung.

Alternative Kommunikationsprotokolle zu UART: Eine kurze Antwort und Vergleich

Alternative Kommunikationsprotokolle zu UART bieten verschiedene Optionen für die Datenübertragung zwischen elektronischen Geräten. Eines davon ist der Serial Peripheral Interface (SPI). Im Gegensatz zu UART, welches als serielle Schnittstelle bekannt ist und zwei Drähte für Senden und Empfangen verwendet, erlaubt SPI die Kommunikation zwischen nahezu jedem elektronischen Gerät. SPI wurde von Motorola entwickelt und nutzt mindestens 4 Drähte.

Einer der Hauptunterschiede zwischen UART und SPI ist die Art der Übertragung. UART arbeitet asynchron, während SPI synchron ist. Das bedeutet, dass bei UART die Übertragung von Daten in unregelmäßigen Zeitintervallen erfolgt, während bei SPI die Datenübertragung durch einen Takt synchronisiert wird. Dies ermöglicht eine schnellere und effizientere Datenübertragung.

  • UART:
    • Asynchron
    • Verwendet 2 Drähte
    • Maximale Kommunikationsentfernung von 15 Metern
  • SPI:
    • Synchron
    • Verwendet mindestens 4 Drähte
    • Unterstützt Vollduplex-Kommunikation
    • Kein Mittel zur Bestätigung oder Flusskontrolle

Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht in der Platzierung auf der Platine. SPI benötigt weniger Platz im Vergleich zu UART. Das macht SPI besonders attraktiv, wenn es um die Integration in kompakte elektronische Geräte geht.

Diese alternativen Kommunikationsprotokolle haben unterschiedliche Eigenschaften und sind für verschiedene Anwendungsfälle geeignet. Je nach den Anforderungen einer spezifischen Anwendung kann die Wahl zwischen UART und SPI getroffen werden, um die gewünschte Kommunikation zwischen den Geräten zu ermöglichen.