3.18. أساسيات UART¶

إن UART (المرسل-المستقبل غير المتزامن العام) هي أقدم وأبسط طريقة لنقل البايتات بين متحكمين دقيقين، أو بين متحكم دقيق وحاسوب مضيف. يحمل سلكان البيانات -- واحد لكل اتجاه -- ويُعيد أرضي مشترك الإشارة. لا يشغّل أيٌّ من الطرفين ساعة مشتركة؛ بل يتفقان مسبقًا على معدل الباود ويستعيدان توقيت البتات من خط البيانات نفسه.

3.18.1. الإطار¶

يُغلَّف كل محرف على السلك في إطار: بت بداية، وبتات البيانات، وبت تماثل اختياري، وبت توقف واحد أو بتّان.

A UART frame waveform. The signal sits idle high on the left, falls low for one bit time (the start bit), then carries eight data bits in sequence, then returns high for one bit time (the stop bit) before returning to idle. — إطار UART واحد: بت بداية، وثماني بتات بيانات، وبت توقف، يبلغ عرض كلٍّ منها فترة بت واحدة (`1 / baudrate` ثانية).¶

يبقى الخط خاملًا مرتفعًا. يراقب المستقبل وجود حافة هابطة، التي تشير إلى بداية إطار جديد. ثم يأخذ عينة من خط البيانات مرة واحدة لكل فترة بت -- عادةً في منتصف كل بت -- ويُعيد تجميع البتات في محرف. يُعيد بت التوقف الخط إلى الوضع الخامل حتى يمكن اكتشاف بت البداية التالي.

3.18.2. معدل الباود¶

تُحدَّد فترة البت -- وسرعة الرابط -- بواسطة معدل الباود، وهو عدد البتات في الثانية. القيم 9600 و19200 و38400 و57600 و115200 و230400 و460800 و921600 هي القيم القياسية؛ والقيمة 115200 هي الافتراضية الأكثر شيوعًا. يجب أن يتفق الطرفان على معدل الباود في حدود نسبة مئوية قليلة وإلا أخذ المستقبل عينات من البتات في نقاط خاطئة وعادت البيانات مشوّهة.

تنقل معدلات الباود الأعلى بيانات أكثر في الثانية لكنها أكثر حساسية لطول الكابل والسعة ودقة الساعات في كل طرف. للروابط القصيرة بين لوحتين على المنضدة نفسها، يعمل المدى من 115200 إلى 921600 بأريحية.

3.18.3. التوصيل¶

يستخدم رابط UART ثلاثة أسلاك:

Two boards labelled A and B, connected by three wires. Board A's TX pin connects to board B's RX pin; board B's TX pin connects to board A's RX pin; and both boards' ground pins are tied together. — توصيل UART: ينتقل TX في إحدى اللوحتين إلى RX في الأخرى، ويُربط الأرضيان معًا.¶

TX ← RX، في كلا الاتجاهين. دبوس الإرسال في كل لوحة هو دبوس الاستقبال في اللوحة الأخرى. من الأخطاء الشائعة لدى المبتدئين توصيل TX ← TX -- خرجان يتصارعان معًا، دون بيانات على أي من المستقبلين.
أرضي مشترك. تُنسب مستويات الإشارة إلى الأرضي، لذا يجب أن يكون للوحتين أرضي مشترك وإلا رأى المستقبل الجهد الخاطئ على الخط.

3.18.4. مستويات الجهد والطبقات الفيزيائية¶

مستويات الإشارة على دبابيس UART في الكاميرا هي 3.3 V بمنطق CMOS: الأرضي للصفر المنطقي، و3.3 V للواحد المنطقي. أي جهاز يتحدث UART بمنطق CMOS عند 3.3 V -- متحكم دقيق آخر، أو محول USB-إلى-تسلسلي مضبوط على 3.3 V، أو وحدة GPS بجهد 3.3 V -- يمكن توصيله مباشرة.

ملاحظة

أجهزة UART بمنطق CMOS عند 5 V (المتحكمات الدقيقة الأقدم، وبعض وحدات GPS، وبعض لوحات المستشعرات الأقدم) تتحدث تأطير UART نفسه بمستويات منطق 5 V. توصيلها مباشرة بالكاميرا غير آمن: فدبوس TX بجهد 5 V يقود دبوس RX في الكاميرا يتجاوز جهد الدخل الأقصى المطلق على الكاميرات غير المتحملة للجهد 5 V، وقد لا يصل دبوس TX بجهد 3.3 V في الكاميرا إلى عتبة المستوى المرتفع للجهاز ذي 5 V لتحقيق واحد منطقي نظيف.

تتطلب الترجمة بين الجهدين مشغّل خط نشط -- دارة متكاملة مخصصة لإزاحة المستوى ثنائية الاتجاه ولها ترانزستورات قيادة خاصة بها على جانبي كل خط. لا تكفي هنا مزيحات المستوى السلبية القائمة على MOSFET ومقاومة الرفع من إزاحة المستوى: فحوافّها الصاعدة تعتمد على شحن الخط عبر مقاومة، وهو أمر مقبول عند سرعات التبديل لكنه بطيء جدًا بالنسبة إلى UART. عند معدل باود 115200 يستمر كل بت نحو 8 ميكروثانية، ويتسبب التغيّر البطيء لدارة RC في المزيح السلبي في تداخل بت مع البت التالي.

ينتج مشغّل الخط النشط حوافّ نظيفة في كلا الاتجاهين عند معدلات UART الكاملة. اختر مكوّنًا مصنّفًا لمعدل الباود الذي سيعمل عليه الرابط، ووصّل دبوسي TX وRX في الكاميرا بجانب 3.3 V من المزيح، ووصّل دبوسي TX وRX للجهاز ذي 5 V بجانب 5 V من المزيح.

تستخدم ثلاث طبقات فيزيائية أقدم التأطير نفسه لكن بجهود مختلفة، وتحتاج إلى محوّل مستوى بينها وبين متحكم دقيق بجهد 3.3 V:

RS-232. تستخدمها المنافذ التسلسلية في حواسيب سطح المكتب وبعض المعدات الصناعية. يتأرجح الخط بين نحو ±5 V و±15 V، مع الوضع الخامل عند السكة السالبة. قطبية معكوسة وجهد مرتفع مقارنةً بـ CMOS؛ وتتولى شريحة من عائلة MAX232 / MAX3232 (أو ما يماثلها) عملية التحويل.
RS-422. معيار إشارات تفاضلية للروابط من نقطة إلى نقطة (مشغّل واحد، وحتى عشرة مستقبلات). يرسل المشغّل عبر زوج متوازن من الأسلاك؛ ويرى المستقبل الفرق بينهما ويتجاهل ضوضاء النمط المشترك على طول الطريق. تستخدم الروابط مزدوجة الاتجاه الكامل زوجين -- واحدًا لكل اتجاه. يصل RS-422 إلى عشرات الأمتار وحتى كيلومتر بحسب معدل الباود، وتقع شريحة مرسل-مستقبل RS-422 بين دبوسي TX / RX في الكاميرا والزوج المتوازن.
RS-485. القريب متعدد النقاط من RS-422 -- الإشارات التفاضلية نفسها، لكنه مصمم لوضع ما يصل إلى 32 مشغّلًا ومستقبلًا على ناقل واحد. معظم الروابط نصف مزدوجة على زوج واحد، حيث يتشارك المشغّل والمستقبل في كل عقدة الأسلاك نفسها وتتحكم البرمجيات في تحديد من يتكلم. يُستخدم في نواقل الأتمتة الصناعية (Modbus وDMX512 وProfibus) حيث تمتد الأسلاك بعيدًا وتكون الضوضاء سيئة؛ وتقع شريحة مرسل-مستقبل RS-485 بين دبوسي TX / RX في الكاميرا والزوج التفاضلي.

ولا يزال كلاهما يرسل إطارات UART على مستوى البتات الأساسي. وتكوين machine.UART في الكاميرا (معدل الباود، والبتات، والتماثل، وبتات التوقف) هو نفسه بغض النظر عن الطبقة الفيزيائية التي تحمل الإشارة على الجانب الآخر من المرسل-المستقبل.