Применение UART-USART в интерфейсах устройств

Теоретическая часть

Назначение UART и USART

 

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) - универсальный асинхронный приёмопередатчик, интерфейс для связи цифровых устройств, предназначенный для передачи данных в последовательной форме. Очень распространён и весьма востребован, имеет аппаратную реализацию во многих микроконтроллерах. Например, микроконтроллеры STM32 из семейства STM32F100xx, в зависимости от варианта исполнения, содержат 2 или 3 USART.

USART (Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter) - универсальный синхронно-асинхронный приёмопередатчик - аналогичный UART интерфейс, но дополнительно к возможностям UART, поддерживает режим синхронной передачи данных - с использованием дополнительной линии тактового сигнала. Впрочем, синхронная передача используется гораздо реже асинхронной.

UART может использоваться как для взаимодействия компонентов внутри одного устройства, так и для подключения устройств между собой. Для внешних подключений сигналы с уровнями логики ТТЛ или КМОП подходят мало из-за низкой помехоустойчивости. Распространённым стандартом физического уровня для UART, который подходит для подключения внешних устройств является RS-232. Этому стандарту, в частности, соответствует последовательный порт (COM-порт) компьютера. Так что, микроконтроллер с помощью схемы преобразования уровней может обмениваться информацией с COM-портом компьютера, но об этом чуть позже.

 

Варианты подключения UART

 

В UART передача данных происходит в последовательной форме, т.е. по одному биту. Поэтому для передачи в одном направлении требуется один проводник; для полнодуплексной двунаправленной связи потребуется два проводника (рисунок 1).

Выход обозначают TD или TX (transmitted data), вход - RD или RX (received data). Для подключения двух устройств выход одного подключают ко входу другого и вход первого - к выходу второго.

 

 

Рисунок 1 – Схема подключения устройств по UART

 

Возможен вариант использования UART для полудуплексной двунаправленной связи по одному проводу. В этом случае выводы TX и RX каждого устройства соединяют вместе. Всё время, пока устройства не передаёт данных, оно держит выход в отключённом состоянии (переводит в Z-состояние, состояние с высоким сопротивлением; можно использовать режим работы с открытым стоком - во время паузы в передаче на выходе UART формируется лог. 1, что равносильно переходу в Z-состояние). Устройство может иметь аппаратную поддержку полудуплексного обмена данными, тогда требуется лишь выбрать нужный режим работы. Если аппаратной поддержки нет, полудуплексный режим легко реализуется программно. Для этого нужно отключать передатчик, когда устройство не передаёт данных, чтобы освободить линию для осуществления передачи другими устройствами и отключать приёмник во время работы своего передатчика, чтобы не принимать собственную передачу (либо программно отбрасывать данные, передаваемые своим передатчиком).

К однопроводной линии можно подключить несколько устройств (рисунок 2), которые будут образовывать сеть для передачи данных. Арбитраж в этой сети должен быть реализован программно.

 

Рисунок 2 – Подключение нескольких устройств с UART к однопроводной линии

 

Как видим, объединять устройства с помощью UART очень просто. Для двунаправленного подключения требуются только три проводника (с учётом общего провода), а для однонаправленного или двунаправленного полудуплексного - всего два.

Формат передачи данных UART

 

В отсутствии передачи на выходе UART присутствует уровень лог. 1.

Данные передаются в виде посылок (фреймов), каждая из которых состоит из стартового бита, битов данных и одного или нескольких стоп-битов (рисунок 3). Длительность всех битов одинакова, связана со скоростью передачи соотношением T=1/S. Существует ряд стандартных скоростей передачи: 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600 бод. Если внутри одного устройства связь можно осуществлять на произвольной скорости, то для связи с внешними устройствами следует придерживаться стандартных величин.

Посылка начинается со стартового бита, он всегда имеет значение лог. 0. После стартового бита передаются биты данных. Количество битов данных может составлять 5-9 в зависимости от настроек UART. Обычно передаётся 8 бит данных или 9 бит (8 бит собственно данных и один бит чётности). Завершается посылка стоп-битами, их значение - всегда лог. 1, количество обычно составляет 1, 1.5 или 2. Под количеством стоп-битов понимается длительность соответствующего им единичного импульса по отношению к длительности битов данных и старт-бита. Этим объясняется возможность выражать количество битов дробным числом. Сразу же после стоп-битов может начинаться передача следующей посылки или может быть пауза произвольной длительности, во время которой на выходе также формируется уровень лог. 1.

 

 

Рисунок 3 – Формат посылки (фрейма) при передаче данных по UART

 

Так как во время передачи стоп-бита и пока линя свободна, на выходе присутствует единичное значение, а старт-бит имеет значение лог. 0, старт-бит позволяет выявить момент начала передачи данных, разделить две последовательные посылки и осуществить синхронизацию передатчика и приёмника.

Если передатчик и приёмник работают на одной скорости, настроены на работу с одинаковым количеством битов данных, стоп битов, одинаково сконфигурированы в отношении бита чётности, то для обмена данными не требуется передавать отдельно тактовый сигнал - он может быть восстановлен приёмником самостоятельно.

Обнаружив начало старт-бита, приёмник ждёт в течение половины длительности передачи бита, после чего начинает считывать сигнал на входе с частотой, равной скорости передачи данных (рисунок 4). В идеальном случае момент каждого считывания приходится на середину принимаемого бита. В реальности генераторы тактовых импульсов передатчика и приёмника имеют рассогласование по частоте, в результате каждое новое считывание всё больше смещается относительно середины очередного бита. Важно, чтобы за время передачи одной посылки, смещение не превысило половины длительности бита, а с учётом переходных процессов - смещению лучше не превышать четвёртой части длительности бита. Иначе вместо считывания бита произойдёт считывание соседнего бита (или считывание линии во время переходного процесса) и посылка будет принята неверно.

 

 

Рисунок 4 – Передача битов данных по UART

Управление потоком данных

 

Для управления потоком данных UART используется программный или аппаратный метод. В случае программного метода, информация о готовности устройства принимать данные или о необходимости остановить передачу передаётся по тем же каналам, что и данные. Принимающая сторона программно разделяет данные и управляющие сигналы в соответствии с принятым протоколом.

Интерфейс UART предусматривает возможность использования дополнительных сигналов (CTS, RTS) для аппаратного управления потоком данных. Аппаратное управление может использоваться некоторыми медленными устройствами или устройствами с простой схемной реализацией. Однако оно потребует двух дополнительных линий для подключения устройства.

Если в UART включён контроль состояния CTS, передатчик перед отправкой очередного фрейма проверяет вход CTS. Если на CTS низкий уровень, передача происходит, иначе - нет. Если сигнал CTS будет установлен во время передачи посылки (фрейма), текущая передача всё равно будет завершена перед остановкой.

 

Рисунок 4 – Схема подключения устройств по UART при аппаратном управлении потоком

 

Приёмник, в свою очередь, устанавливает на выходе RTS значение лог. 0, если он готов принимать данные и устанавливает лог. 1, требуя от передатчика остановить передачу.

USART в STM32 (STM32F100xx)

 

USART в микроконтроллерах STM32 предоставляет гибкие средства для полнодуплексного обмена данными с внешними устройствами в последовательном формате с возможностью поддержки сигналов CTS/RTS; поддерживает полудуплексный обмен по однопроводной линии; может работать в широком диапазоне скоростей передачи. В мультибуферном режиме DMA достигается высокая скорость передачи данных, максимальное значение составляет 3 Мбит/с. Также поддерживается однонаправленная передача в синхронном режиме; мультипроцессорная связь; LIN (local interconnection network) - сеть для локальной связи; smartcard протокол; инфракрасный протокол в соответствии со спецификацией IrDA (infrared data association) SIR ENDEC.

 

Основные возможности

 

1) Асинхронная полнодуплексная связь.

2) Асинхронная однопроводная полудуплексная связь.

3) Настраиваемый метод оверсэмплинга (супердискретизации) даёт возможность выбора между скоростью передачи и допустимым отклонением скорости.

4) Передатчик и приёмник используют общую программируемую скорость передачи, которая может настраиваться в широких пределах; максимальное значение достигает 3 Мбит/с при 8-кратном оверсэмплинге.

5) Программируемая длина слова (8 или 9 бит).

6) Настраиваемое количество стоп-битов (1 или 2).

7) В LIN режиме поддерживается отправка и обнаружение приёмником Break-посылки (генерируется 13-битная и детектируется 10/11 битная).

8) Имеется выход тактового сигнала для синхронной передачи.

9) IrDA SIR кодек для инфракрасной связи (поддерживается длительность бита 3/16 в нормальном режиме).

10) Интерфейс Smartcard поддерживает асинхронный протокол смарт-карт как определено в стандарте ISO 7816-3; используется 0.5, 1.5 стоп-битов в операциях со смарт-картой.

11) Конфигурируемая мультибуферная связь с использованием DMA (direct memory access).

12) Флаги, устанавливаемые при обнаружении событий во время обмена данными (приёмный буфер заполнен; буфер для передачи пуст; передача завершена).

13) Контроль чётности (можно настроить передатчик на формирование бита чётности и приёмник на контроль бита чётности).

14) Четыре флага, устанавливаемые при обнаружении ошибок (ошибка переполнения; обнаружен шум в принимаемом сигнале; ошибка фрейма; ошибка чётности).

15) 10 источников прерывания USART, связанных с флагами регистра состояния SR (изменение состояния CTS; обнаружение посылки LIN Break; регистр данных передатчика пуст; передача завершена; регистр данных приёмника заполнен; обнаружение события "линия свободна" (Idle line); ошибка переполнения; ошибка фрейма; обнаружение шума; ошибка чётности).

16) Мультипроцессорная связь (переход в тихий режим, если не произошло сопоставление адреса).

17) Пробуждение из тихого режима при обнаружении свободной линии (Idle line) или при обнаружении адресной метки.

18) Два режима пробуждения приёмника - по адресному биту (9-й, старший бит) или при обнаружении, что линия свободна.

 

Функциональная схема USART

 

Функциональная схема USART в микроконтроллерах STM32 приведена на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – Функциональная схема USART в микроконтроллерах STM32

SW: Single Wire - вывод для однопроводного подключения устройств.

В обычном двунаправленном полнодуплексном режиме требуется как минимум два вывода для подключения USART: RX (Receive Data In) и TX (Transmit Data Out).

RX: вход для последовательных данных. Для извлечения данных используется техника оверсэмплинга (супердискретизации), когда чтение входа осуществляется с частотой, в несколько раз превышающей скорость передачи данных (в данном случае в 8 или 16 раз). Сопоставление считанной последовательности с предопределёнными шаблонами позволяет выделить фронт сигнала, определить значение принимаемого бита и обнаружить шум при его наличии в принимаемом сигнале.

TX: выход для передачи данных в последовательной форме. Когда передатчик отключён, вывод возвращается в состояние, заданное конфигурацией порта ввода-вывода. Когда передатчик включён, но никаких данных не передаётся, на выходе TX устанавливается высокий уровень (паузе в передаче данных, или свободной линии соответствует наличие лог. 1 в линии). В однопроводном режиме или режиме смарт-карты этот вывод используется как для передачи, так и для приёма данных (поэтому на схеме он обозначен как TX/SW).

SCLK: выход для тактового сигнала при синхронной передаче данных, соответствует мастер-режиму SPI. Тактовые импульсы не формируются во время старт и стоп-битов. Наличие импульса во время передачи последнего бита данных определяется программно. Параллельно может происходить синхронный приём данных на входе RX. Фаза и полярность импульсов задаются программно. В режиме смарт-карты вывод SCLK может формировать тактовый сигнал для смарт-карты.

IrDA_RDI: Receive Data Input - вход для получаемых данных в IrDA режиме.

IrDA_TDO: Transmit Data Output - выход для передаваемых данных в IrDA режиме.

nCTS: Clear To Send - высокий уровень на входе приостанавливает передачу данных после завершения текущей посылки.

nRTS: Request to send - низкий уровень на этом выходе сигнализирует о готовности USART принимать данные.

Программно приём и передача данных через интерфейс USART осуществляется путём чтения и записи регистра данных DR. Записываемые в регистр данные помещаются в регистр передаваемых данных TDR, а затем, когда завершится текущая передача, копируются в передающий сдвигающий регистр (сдвигающий регистр также называют регистром сдвига или сдвиговым регистром). Если в данный момент ничего не передаётся, данные сразу помещаются в сдвигающий регистр. Сдвигающий регистр преобразует данные из параллельной формы представления в последовательную: схема управления с заданной тактовой частотой сдвигает содержимое регистра на 1 бит вправо. Сдвигаемые биты, начиная с младшего, подаются на выход USART. Кроме того, схема управления формирует стартовый бит, бит чётности (если используется) и стоп-биты.

После того, как содержимое TDR копируется в сдвигающий регистр, в DR можно записывать очередной байт, без риска повредить предыдущее содержимое.

Принимаемые данные попадают в приёмный сдвигающий регистр. Когда приём фрейма завершается, данные из приёмного сдвигающего регистра помещаются в регистр принимаемых данных (RDR), откуда они могут быть прочитаны путём чтения регистра данных DR. Такое устройство регистра данных позволяет одновременно передавать и получать данные.

 

Содержание отчета

 

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

- титульный лист;

- название и цель работы;

- ответы на контрольные вопросы.

 

4 Контрольные вопросы

 

1) Назначение UART и USART.

2) Приведите схемы соединения устройств для обмена по UART и USART.

3) Опишите формат передачи данных по UART и USART.

4) Как осуществляется управление передачей по UART и USART?

5) Перечислите характеристики и сигналы интерфейса RS-232.

6) Приведите схему гальванической развязки устройств при подключении к COM-порту.

7) Опишите основные возможности USART в STM32.

8) Приведите и опишите функциональную схему USART в STM32.

9) Опишите структуру и назначение регистров USART в STM32. Приведите формат и назначение битов отдельного регистра USART в STM32 по заданию преподавателя.

 

Теоретическая часть

Назначение UART и USART

 

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) - универсальный асинхронный приёмопередатчик, интерфейс для связи цифровых устройств, предназначенный для передачи данных в последовательной форме. Очень распространён и весьма востребован, имеет аппаратную реализацию во многих микроконтроллерах. Например, микроконтроллеры STM32 из семейства STM32F100xx, в зависимости от варианта исполнения, содержат 2 или 3 USART.

USART (Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter) - универсальный синхронно-асинхронный приёмопередатчик - аналогичный UART интерфейс, но дополнительно к возможностям UART, поддерживает режим синхронной передачи данных - с использованием дополнительной линии тактового сигнала. Впрочем, синхронная передача используется гораздо реже асинхронной.

UART может использоваться как для взаимодействия компонентов внутри одного устройства, так и для подключения устройств между собой. Для внешних подключений сигналы с уровнями логики ТТЛ или КМОП подходят мало из-за низкой помехоустойчивости. Распространённым стандартом физического уровня для UART, который подходит для подключения внешних устройств является RS-232. Этому стандарту, в частности, соответствует последовательный порт (COM-порт) компьютера. Так что, микроконтроллер с помощью схемы преобразования уровней может обмениваться информацией с COM-портом компьютера, но об этом чуть позже.

 

Варианты подключения UART

 

В UART передача данных происходит в последовательной форме, т.е. по одному биту. Поэтому для передачи в одном направлении требуется один проводник; для полнодуплексной двунаправленной связи потребуется два проводника (рисунок 1).

Выход обозначают TD или TX (transmitted data), вход - RD или RX (received data). Для подключения двух устройств выход одного подключают ко входу другого и вход первого - к выходу второго.

 

 

Рисунок 1 – Схема подключения устройств по UART

 

Возможен вариант использования UART для полудуплексной двунаправленной связи по одному проводу. В этом случае выводы TX и RX каждого устройства соединяют вместе. Всё время, пока устройства не передаёт данных, оно держит выход в отключённом состоянии (переводит в Z-состояние, состояние с высоким сопротивлением; можно использовать режим работы с открытым стоком - во время паузы в передаче на выходе UART формируется лог. 1, что равносильно переходу в Z-состояние). Устройство может иметь аппаратную поддержку полудуплексного обмена данными, тогда требуется лишь выбрать нужный режим работы. Если аппаратной поддержки нет, полудуплексный режим легко реализуется программно. Для этого нужно отключать передатчик, когда устройство не передаёт данных, чтобы освободить линию для осуществления передачи другими устройствами и отключать приёмник во время работы своего передатчика, чтобы не принимать собственную передачу (либо программно отбрасывать данные, передаваемые своим передатчиком).

К однопроводной линии можно подключить несколько устройств (рисунок 2), которые будут образовывать сеть для передачи данных. Арбитраж в этой сети должен быть реализован программно.

 

Рисунок 2 – Подключение нескольких устройств с UART к однопроводной линии

 

Как видим, объединять устройства с помощью UART очень просто. Для двунаправленного подключения требуются только три проводника (с учётом общего провода), а для однонаправленного или двунаправленного полудуплексного - всего два.

Формат передачи данных UART

 

В отсутствии передачи на выходе UART присутствует уровень лог. 1.

Данные передаются в виде посылок (фреймов), каждая из которых состоит из стартового бита, битов данных и одного или нескольких стоп-битов (рисунок 3). Длительность всех битов одинакова, связана со скоростью передачи соотношением T=1/S. Существует ряд стандартных скоростей передачи: 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600 бод. Если внутри одного устройства связь можно осуществлять на произвольной скорости, то для связи с внешними устройствами следует придерживаться стандартных величин.

Посылка начинается со стартового бита, он всегда имеет значение лог. 0. После стартового бита передаются биты данных. Количество битов данных может составлять 5-9 в зависимости от настроек UART. Обычно передаётся 8 бит данных или 9 бит (8 бит собственно данных и один бит чётности). Завершается посылка стоп-битами, их значение - всегда лог. 1, количество обычно составляет 1, 1.5 или 2. Под количеством стоп-битов понимается длительность соответствующего им единичного импульса по отношению к длительности битов данных и старт-бита. Этим объясняется возможность выражать количество битов дробным числом. Сразу же после стоп-битов может начинаться передача следующей посылки или может быть пауза произвольной длительности, во время которой на выходе также формируется уровень лог. 1.

 

 

Рисунок 3 – Формат посылки (фрейма) при передаче данных по UART

 

Так как во время передачи стоп-бита и пока линя свободна, на выходе присутствует единичное значение, а старт-бит имеет значение лог. 0, старт-бит позволяет выявить момент начала передачи данных, разделить две последовательные посылки и осуществить синхронизацию передатчика и приёмника.

Если передатчик и приёмник работают на одной скорости, настроены на работу с одинаковым количеством битов данных, стоп битов, одинаково сконфигурированы в отношении бита чётности, то для обмена данными не требуется передавать отдельно тактовый сигнал - он может быть восстановлен приёмником самостоятельно.

Обнаружив начало старт-бита, приёмник ждёт в течение половины длительности передачи бита, после чего начинает считывать сигнал на входе с частотой, равной скорости передачи данных (рисунок 4). В идеальном случае момент каждого считывания приходится на середину принимаемого бита. В реальности генераторы тактовых импульсов передатчика и приёмника имеют рассогласование по частоте, в результате каждое новое считывание всё больше смещается относительно середины очередного бита. Важно, чтобы за время передачи одной посылки, смещение не превысило половины длительности бита, а с учётом переходных процессов - смещению лучше не превышать четвёртой части длительности бита. Иначе вместо считывания бита произойдёт считывание соседнего бита (или считывание линии во время переходного процесса) и посылка будет принята неверно.

 

 

Рисунок 4 – Передача битов данных по UART

Управление потоком данных

 

Для управления потоком данных UART используется программный или аппаратный метод. В случае программного метода, информация о готовности устройства принимать данные или о необходимости остановить передачу передаётся по тем же каналам, что и данные. Принимающая сторона программно разделяет данные и управляющие сигналы в соответствии с принятым протоколом.

Интерфейс UART предусматривает возможность использования дополнительных сигналов (CTS, RTS) для аппаратного управления потоком данных. Аппаратное управление может использоваться некоторыми медленными устройствами или устройствами с простой схемной реализацией. Однако оно потребует двух дополнительных линий для подключения устройства.

Если в UART включён контроль состояния CTS, передатчик перед отправкой очередного фрейма проверяет вход CTS. Если на CTS низкий уровень, передача происходит, иначе - нет. Если сигнал CTS будет установлен во время передачи посылки (фрейма), текущая передача всё равно будет завершена перед остановкой.

 

Рисунок 4 – Схема подключения устройств по UART при аппаратном управлении потоком

 

Приёмник, в свою очередь, устанавливает на выходе RTS значение лог. 0, если он готов принимать данные и устанавливает лог. 1, требуя от передатчика остановить передачу.

Применение UART-USART в интерфейсах устройств