מהו UART?
UART ראשי תיבות של Universal Asynchronous Receiver-Transmitter.
UART זהו ממשק תקשורת חומרה המשמש לתקשורת טורית בין מכשירים אלקטרוניים.
UART הוא סוג של תקשורת אסינכרונית, מה שאומר שהנתונים מועברים בצורה של בייט-byte ללא אות שעון לסנכרון השולח והמקלט.
UART מורכב משני מרכיבים עיקריים: משדר ומקלט.
המשדר ממיר נתונים מקבילים מהמכשיר לזרם נתונים סדרתי, הניתן לשידור בערוץ תקשורת. המקלט, לעומת זאת,
ממיר את הנתונים הסידוריים שהתקבלו בחזרה לצורה מקבילה לשימוש ההתקן.
תקשורת UART משתמשת בשני קווי נתונים: אחד להעברת נתונים (TX) ואחר לקליטת נתונים (RX).
קווים אלו מחוברים בין המכשירים שצריכים לתקשר זה עם זה.
התקשורת נוצרת באמצעות קצב העברת נתונים ספציפי, שקובע את המהירות בה מועברים נתונים.
נעשה שימוש נרחב ב-UART ביישומים שונים, כגון חיבור מיקרו-בקרים לחיישנים, התממשקות עם התקנים חיצוניים ויצירת תקשורת
בין רכיבים אלקטרוניים שונים בתוך מערכת.
זוהי שיטה פשוטה ואמינה לתקשורת טורית, מה שהופך אותה לבחירה פופולרית במערכות משובצות רבות ובמכשירים אלקטרוניים.
איך פועלת תקשורת UART?
תקשורת UART פועלת על ידי שידור וקבלה של נתונים באופן סדרתי באמצעות פרוטוקול ספציפי.
להלן הסבר פשוט כיצד זה עובד:
Start Bit: תקשורת UART מתחילה עם Bit Start. זוהי תמיד רמה לוגית נמוכה (0) ומשמשת כאות לציון תחילתה של מסגרת נתונים.
סיביות נתונים: לאחר סיביות ההתחלה, ה-UART שולח או מקבל את סיביות הנתונים בפועל.
מספר סיביות הנתונים נע בין 5 ל-9, בהתאם לתצורה. כל סיבית נתונים מייצגת ספרה בינארית אחת (0 או 1).
סיביות זוגיות (אופציונלי): חלק מיישומי UART כוללים סיביות זוגיות אחרי סיביות הנתונים. סיבית הזוגיות משמשת לזיהוי שגיאות.
ניתן להגדיר אותו לזוגיות אי זוגית או זוגית אפילו, בהתאם למנגנון בדיקת השגיאות הרצוי.
ביט עצור: לאחר הנתונים והשוויון (אם קיימים), מועבר סיבית עצור. סיבית העצירה היא תמיד רמה לוגית גבוהה (1).
הוא מסמן את סופה של מסגרת נתונים ומספק פרק זמן קצר למקלט להתכונן למסגרת הנתונים הבאה.
בקרת זרימה אופציונלית: בחלק מיישומי UART, ניתן להשתמש באותות בקרת זרימה נוספים כגון RTS (מוכן לשלוח) ו-CTS (נקה לשליחה)
לניהול זרימת הנתונים בין המשדר למקלט.
אותות אלה עוזרים למנוע אובדן נתונים או הצפת מאגר.
יש להגדיר את השולח והמקלט של UART עם אותם פרמטרים, לרבות קצב ה-baud (המהירות שבה נתונים משודרים), מספר סיביות הנתונים,
נוכחות או היעדר סיביות זוגיות ומספר סיביות העצירה.
חיוני להגדרות תואמות בשני הקצוות לתקשורת מוצלחת.
בצד המקבל, מקלט UART דוגם ברציפות את זרם הנתונים הנכנס כדי לזהות את סיביות ההתחלה.
ברגע שביט ההתחלה מזוהה, הוא מתחיל ללכוד את סיביות הנתונים הבאות עד שכל הסיביות במסגרת (כולל סיבית העצירה) התקבלו.
לאחר מכן הכונס מעבד את הנתונים שהתקבלו בהתאם לדרישות האפליקציה.
תקשורת UART פשוטה יחסית ונתמכת באופן נרחב על ידי מיקרו-בקרים שונים, מערכות משובצות והתקנים אלקטרוניים,
מה שהופך אותה לבחירה פופולרית עבור תקשורת טורית ביישומים רבים.
סוגי UART
ישנם מספר סוגים של UART הנבדלים על פי רמות האיתות החשמלי ורמות המתח שלהם.
להלן כמה סוגים נפוצים:
TTL UART: TTL (לוגיקה טרנזיסטור-טרנזיסטור) UART פועל ברמות לוגיות המשמשות במעגלים דיגיטליים, כאשר גבוה לוגי (1)
מיוצג על ידי רמת מתח גבוהה יותר (למשל, 3.3V או 5V), ונמוך לוגי (0 ) מיוצג על ידי רמת מתח נמוכה יותר (למשל, 0V או הארקה).
TTL UART נמצא במיקרו-בקרים, לוחות פיתוח ומערכות משובצות.
RS-232 UART: RS-232 (תקן מומלץ 232) UART הוא תקן תקשורת טורית ישן יותר המשתמש ברמות מתח השונות מ-TTL.
RS-232 משתמש ברמות מתח חיוביות ושליליות כדי לייצג לוגיקה גבוהה ונמוכה, בהתאמה.
הוא פועל עם מתחים כגון +12V ו-12V. RS-232 UART היה בשימוש נפוץ במערכות מחשב מוקדמות ועדיין נמצא בציוד תעשייתי מדור קודם.
RS-485 UART: RS-485 הוא תקן תקשורת טורית המאפשר תקשורת למרחקים ארוכים ורשתות מרובות צמתים.
הוא משתמש באיתות דיפרנציאלי מאוזן, כאשר הנתונים מועברים כהפרש המתח בין שני קווים, הידועים כ-A ו-B.
RS-485 UART תומך בתקשורת חצי דופלקס, מה שמאפשר למספר התקנים לתקשר באוטובוס אחד.
LVDS UART: LVDS (אותות דיפרנציאליים במתח נמוך) UART הוא תקן תקשורת טורית במהירות גבוהה המשתמש באיתות דיפרנציאלי
עם תנודות מתח נמוכות.
LVDS UART משמש ביישומים הדורשים קצבי נתונים גבוהים, כגון צגים ברזולוציה גבוהה והעברת וידאו.
CMOS UART: CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) UART מתייחס ל-UARTs הפועלים ברמות הלוגיקה של CMOS.
CMOS UARTs מתוכננים לעבוד עם רמות המתח הנפוצות במעגלים דיגיטליים CMOS, כגון 3.3V או 5V.
אלו הן רק כמה דוגמאות לסוגי UART.
ייתכן שיהיו גרסאות מיוחדות אחרות או יישומי UART קנייניים המבוססים על דרישות ספציפיות או תקנים בתעשייה.
הבחירה בסוג UART תלויה בגורמים כמו רמות מתח, דרישות איתות, קצב נתונים, מרחק ותאימות של UART להתקנים או למערכות המעורבות בתקשורת.
שימושים של UART
UART נמצא בשימוש נרחב ביישומים שונים לתקשורת טורית בין מכשירים אלקטרוניים.
להלן כמה מקרי שימוש נפוצים עבור UART:
ממשק עם ציוד היקפי: UART משמש לממשק מיקרו-בקרים ומערכות משובצות אחרות עם ציוד היקפי שונים כגון חיישנים,
מפעילים, צגים ומודול זיכרון.
הוא מספק דרך פשוטה ויעילה להחליף נתונים בין המיקרו-בקר לציוד היקפי אלה.
תקשורת טורית בין מכשירים: UART משמש לעתים קרובות לתקשורת נקודה לנקודה בין שני מכשירים.
לדוגמה, ניתן להשתמש בו כדי לחבר מיקרו-בקר למחשב או מיקרו-בקר אחר, המאפשר חילופי נתונים ובקרה של אותות בין המכשירים.
תקשורת אלחוטית: ניתן להשתמש ב-UART במודולי תקשורת אלחוטיים כגון מודולי Bluetooth ו-Wi-Fi.
מודולים אלו כוללים לרוב ממשק UART המאפשר תקשורת בין המיקרו-בקר למודול האלחוטי.
המיקרו-בקר שולח ומקבל נתונים דרך UART, והמודול האלחוטי מטפל בשידור ובקליטה האלחוטיים.
איתור באגים ותכנות: UART משמש לעתים קרובות למטרות איתור באגים ותכנות.
מיקרו-בקרים ולוחות פיתוח רבים מספקים ממשק UART המאפשר איתור באגים ותכנות של המכשיר.
ניתן להעביר הודעות איתור באגים או הוראות תכנות דרך UART כדי לנטר או לעדכן את הקושחה של המכשיר.
אוטומציה ובקרה תעשייתית: UART נמצא בשימוש נרחב באוטומציה ובקרה תעשייתית.
הוא מאפשר תקשורת בין רכיבים שונים, כגון בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLC), ממשקי אדם-מכונה (HMI), כונני מנוע והתקנים תעשייתיים אחרים.
UART מקל על חילופי אותות בקרה, מידע סטטוס ונתונים בין התקנים אלה, ומאפשר אינטגרציה ותיאום חלקים.
יישומי IoT (האינטרנט של הדברים): UART מנוצל ביישומי IoT לתקשורת בין התקני IoT, חיישנים ושערים.
היא מאפשרת העברת נתונים ופקודות בקרה בין התקנים אלה, ומקלה על הקישוריות וההתפעול ההדדית ברשתות IoT.
אלו הן רק כמה דוגמאות לאופן שבו נעשה שימוש ב-UART בתחומים שונים.
הפשטות, האמינות והזמינות הנרחבת של UART הופכים אותה לבחירה פופולרית לתקשורת טורית במגוון רחב של יישומים.
מוצרי UART
ישנם מוצרי UART רבים הזמינים בשוק מיצרנים שונים.
מוצרים אלה כוללים שבבי UART, מודולי UART, ממירי UART ל-USB ולוחות תקשורת UART.
להלן מספר דוגמאות למוצרי UART:
שבבי UART: יצרנים כגון Texas Instruments, Microchip Technology, Maxim Integrated ו-NXP Semiconductors
מציעים שבבי UART שניתן לשלב במכשירים אלקטרוניים או במערכות מבוססות מיקרו-בקר.
שבבים אלה מספקים פונקציונליות של UART עם תכונות שונות כגון קצבי נתונים שונים, מספר סיביות נתונים, אפשרויות זוגיות ובקרת זרימה.
מודולי UART: מודולי UART הם מודולים מובנים מראש המספקים פונקציונליות של UART וניתן לשלב אותם בקלות בפרויקטים אלקטרוניים.
מודולים אלה כוללים שבב UART, רכיבים נחוצים ומחברים להתממשקות קלה.
יצרנים כמו SparkFun, Adafruit ו-Seed Studio מציעים מודולי UART עם תכונות ומפרטים שונים.
ממירי UART ל-USB: ממירי UART ל-USB, הידועים גם כממירי USB לטורי, מאפשרים תקשורת בין התקני UART להתקנים התומכים ב-USB
כגון מחשבים.
ממירים אלו מספקים גשר בין ממשק UART לממשק ה-USB, ומאפשרים חילופי נתונים. יצרנים כמו FTDI, Prolific ו- Silicon Labs
מציעים שבבים ומודולים של ממירי UART ל-USB.
לוחות תקשורת UART: לוחות תקשורת UART מספקים קישוריות UART ותכונות נוספות עבור יישומים ספציפיים.
לדוגמה, ישנם לוחות תקשורת UART המיועדים ל-Raspberry Pi או Arduino, המספקים ממשקי UART ומעגלים נוספים לאינטגרציה
חלקה עם פלטפורמות פיתוח פופולריות אלו.
יצרנים שונים מייצרים לוחות תקשורת UART התואמים ללוחות מיקרו-בקר שונים.
ערכות פיתוח של UART: חלק מהיצרנים מציעים ערכות פיתוח של UART הכוללות לוחות פיתוח, ספריות תוכנה ותיעוד כדי להקל על פיתוח מבוסס UART.
ערכות אלו מספקות פתרון מקיף למפתחים להתנסות, אב טיפוס ולשלב תקשורת UART בפרויקטים שלהם.
בעת חיפוש אחר מוצרי UART, מומלץ לקחת בחשבון גורמים כגון תאימות עם האפליקציה הספציפית שלך, תכונות נדרשות
(קצב העברת נתונים, סיביות נתונים, בקרת זרימה וכו’), רמות מתח, המוניטין והתמיכה המוצעים על ידי היצרן.
שאלות ותשובות בנושא UART
ש: האם ניתן להשתמש ב-UART לתקשורת למרחקים ארוכים?
ת: UART עצמו אינו אידיאלי לתקשורת למרחקים ארוכים בשל הרגישות שלו לרעשים ולהדרדרות האותות.
עם זאת, פרוטוקולים כמו RS-485 UART תוכננו במיוחד לתקשורת למרחקים ארוכים וניתן להשתמש בהם בתרחישים כאלה.
ש: אילו גורמים יש לקחת בחשבון בעת בחירת מוצר UART?
ת: בעת בחירת מוצר UART, יש לקחת בחשבון גורמים כגון תאימות לאפליקציה, תכונות נדרשות (קצב שידור,
סיביות נתונים, בקרת זרימה), רמות מתח ומוניטין היצרן.
ש: האם UART היא תקשורת דופלקס מלא או חצי דופלקס?
ת: UART יכול לתמוך גם בתקשורת דופלקס מלאה וגם בחצי דופלקס.
במצב דופלקס מלא, קווים נפרדים משמשים לשידור וקבלת נתונים בו זמנית, בעוד שבמצב חצי דופלקס,
קו בודד משמש לתקשורת דו-כיוונית.
ש: האם ניתן להשתמש בתקשורת UART בהעברת נתונים במהירות גבוהה?
ת: בעוד שתקשורת UART מתאימה לקצבי נתונים מתונים, ייתכן שהיא לא הבחירה האופטימלית להעברת נתונים במהירות גבוהה.
ממשקי תקשורת אחרים כמו SPI (ממשק היקפי טורי) או I2C (מעגל משולב) מועדפים לרוב להעברת נתונים במהירות גבוהה.
מחפש UART? פנה עכשיו!
