UART est une méthode de communication série courante utilisée dans de nombreux systèmes embarqués. Il envoie les données bit par bit sans ligne d’horloge partagée, en utilisant des réglages correspondants pour maintenir la synchronisation. Les liens UART fiables dépendent du câblage correct, du débit en bauds, du format des trames, des niveaux de tension et du timing du signal. Cet article fournit des informations sur le fonctionnement, la configuration, les usages et les problèmes courants de l’UART.
Bases du récepteur-émetteur asynchrone universel (UART)
UART signifie Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (Récepteur-Transmetteur Asynchrone Universel). C’est une interface de communication série qui transfère les données bit par bit entre les appareils connectés. Un bloc UART est intégré à de nombreux microcontrôleurs, processeurs, puces de communication et modules embarqués. Il convertit les données parallèles en flux série lors de la transmission et reconvertit les données série entrantes en octets lors de la réception. UART n’utilise pas de ligne d’horloge partagée. Au lieu de cela, les deux appareils restent synchronisés en utilisant des paramètres de communication correspondants et en détectant le début et la fin de chaque trame de données.
Raisons pour lesquelles l’UART reste courant
• Il n’utilise que quelques lignes de signalisation
• Il est simple de mettre en place une communication directe
• Il est inclus dans de nombreux dispositifs embarqués
• Il prend en compte une sortie lisible via des terminaux série
Comment fonctionnent les cadres et le timing de l’UART ?
Parties d’un cadre UART
| Élément de cadre | Fonction |
|---|---|
| Bit de départ | Marque le début d’un cadre |
| Bits de données | Porter la valeur envoyée |
| Bit de parité | Ajoute une vérification d’erreur basique lorsqu’elle est utilisée |
| Stop bit | Marque la fin de l’image |
| État inactif | Maintient la ligne haute quand aucune donnée n’est envoyée |
Réglages principaux de l’UART
| Cadre | Ce qu’il contrôle |
|---|---|
| Débit de bauds | La vitesse de communication |
| Bits de données | Le nombre de bits de valeur dans chaque trame |
| Parité | Est-ce qu’un test de parité est ajouté |
| Bits d’arrêt | Le format de fin d’image |
| Contrôle de débit | Le rythme des données entre les appareils connectés |
Le débit en bauds détermine la vitesse d’envoi des bits. Des débits de bauds plus élevés augmentent la vitesse de transfert mais nécessitent un timing plus précis et un chemin de signal plus propre. La communication UART dépend aussi de la correspondance des réglages d’image des deux côtés.
Taux de bauds courants
| Taux de Baud | Utilisation typique |
|---|---|
| 9600 | Terminaux de base, modules simples et systèmes plus anciens |
| 19200–38400 | Communication à vitesse moyenne |
| 57600 | Liens de contrôle et de diagnostic plus rapides |
| 115200 | Sortie console et débogage |
Longueur d’image et efficacité des données
La longueur de trame influence la quantité de données utiles transportées dans chaque transmission. Deux liens UART peuvent utiliser le même débit en bauds tout en fournissant un débit efficace de données différent si leurs formats de trame diffèrent. Par exemple, 8N1 et 7E1 utilisent des nombres différents de bits totaux par trame, donc la quantité de données de charge utile par trame n’est pas la même.
Câblage UART, niveaux de tension et contrôle de débit
Une connexion UART de base utilise trois signaux principaux : TX, RX et GND. La broche TX d’un appareil se connecte à la broche RX de l’autre, et les deux dispositifs doivent partager la même masse pour que les niveaux de signal soient correctement lus.
De nombreux microcontrôleurs et modules utilisent des niveaux UART TTL ou CMOS, souvent à 3,3 V ou 5 V. Les anciens systèmes série peuvent utiliser RS-232, qui possède une plage de tension et une méthode de signalisation différentes, ce qui le rend incompatible direct avec l’UART TTL. Un émetteur-récepteur à décalage de niveau est utilisé lors de la connexion de ces standards.
Certains liens UART utilisent également le contrôle de flux pour éviter la perte de données lorsqu’un côté ne peut pas accepter les octets entrants assez rapidement.
Règles de câblage de base de l’UART
• Le TX d’un appareil se connecte au RX de l’autre appareil
• Le RX d’un appareil se connecte au TX de l’autre appareil
• La terre doit être connectée des deux côtés
Normes électriques de l’UART
| Type | Utilisation typique | Point principal |
|---|---|---|
| TTL/CMOS UART | Microcontrôleurs, modules, cartes de développement | Utilise des signaux de niveau logique tels que 3,3 V ou 5 V |
| RS-232 | Ports série hérités, liaisons industrielles, connexions série PC | Utilise une plage de tension et un comportement de signalisation différents |
Méthodes courantes de contrôle de débit
• Le contrôle de flux matériel utilise des lignes RTS et CTS
• Le contrôle de flux logiciel utilise les caractères XON et XOFF
Le contrôle de flux matériel utilise des lignes de contrôle séparées pour gérer le flux de données. Le contrôle de flux logiciel réduit le nombre de fils, mais il utilise des caractères de contrôle au sein du flux de données.
Comment un UART fonctionne-t-il à l’intérieur d’un appareil ?
À l’intérieur d’un appareil, un périphérique UART comprend plusieurs parties qui gèrent l’envoi et la réception des données. Ces parties incluent souvent une section d’émission, une section de réception, des registres de décalage, des indicateurs de statut et des tampons FIFO. Lorsque les données sont envoyées, le logiciel place un octet dans l’UART, et le matériel ajoute le bit de départ, le bit de parité optionnel et le bit d’arrêt avant d’envoyer l’image complète à travers la ligne TX.
Lorsque les données sont reçues, l’UART surveille la ligne RX pour détecter un bit de départ valide. Il échantillonne ensuite le signal au bon moment, reconstruit l’octet, vérifie le format de la trame et stocke les données pour que le logiciel puisse les lire plus tard.
Les périphériques UART rapportent également l’état et les conditions d’erreur, tandis que les tampons FIFO contiennent plusieurs octets pour réduire les données manquées lorsque le logiciel ne répond pas immédiatement.
Statut UART courant et drapeaux d’erreur
• Tampon d’émission vide
• Recevoir le tampon complet
• Erreur de parité
• Erreur de cadrage
• Erreur de dépassement
Utilisations courantes de l’UART dans les systèmes embarqués
• Débogage des terminaux série
• Communication entre un microcontrôleur et un module
• Bootloader et liens de mise à jour du firmware
• Interfaces simples de commande-réponse
• Journal des données et diagnostics
• Accès intégré à la console de carte
Configuration, tests et dépannage de l’UART
La configuration d’un lien UART commence par le choix des réglages de communication compatibles et des niveaux de signal. Les tests permettent de confirmer que le lien est correctement câblé, bien configuré et que les trames de données valides sont envoyées.
Planification des liens et configuration des appareils
Choisissez le débit en bauds, le format de la trame, la norme de tension et la méthode de contrôle de débit avant de faire la connexion. Ensuite, activez le matériel UART en logiciel et configurez les tampons ou réglages FIFO nécessaires. La précision de l’horloge, la qualité du câble et le débit de données attendu influencent également la performance des liaisons.
Validation de la communication
Vérifiez le lien en envoyant un schéma de données connu ou un texte lisible. Un terminal série, un adaptateur USB-vers-UART, un analyseur logique ou un oscilloscope peut aider à confirmer que les trames sont valides et que la ligne reste dans l’état d’inactivité correct entre les transmissions.
Guide des problèmes UART
| Symptôme | Cause probable |
|---|---|
| Caractères aléatoires ou illisibles | Mauvais débit de baud ou réglage d’images par seconde |
| Aucune donnée reçue | TX/RX inversé, terre manquante, UART désactivé, mauvais niveau de tension |
| Erreurs intermittentes | Bruit, câblage long, décalage de timing |
| Erreurs de trame ou de parité | Mauvais réglages ou mauvaise qualité du signal |
| Octets perdus lors des rafales | Débordement, tampon faible, aucun contrôle de flux |
Vérifications de dépannage
• Confirmer que TX et RX sont correctement croisés
• S’assurer que les deux parties partagent le même terrain
• Vérifier le débit en bauds et le format des images aux deux extrémités
• Vérifier si les niveaux de signal sont TTL/CMOS ou RS-232
• Réduire le débit en bauds si une erreur de calage ou un bruit est suspecté
• Examiner les indicateurs d’erreur UART dans le logiciel
• Tester avec des outils ou adaptateurs de terminaux connus
Comparaison de l’UART, du SPI et de l’I2C
UART, SPI et I2C sont des méthodes de communication série courantes, mais elles fonctionnent différemment. UART utilise une liaison directe entre deux appareils et n’a pas besoin de ligne d’horloge. SPI utilise une horloge et des chemins de données séparés pour une communication plus rapide. L’I2C utilise aussi une horloge, mais il permet à plusieurs appareils de partager le même bus via un adressage intégré.
Comparaison d’interface
| Fonctionnalité | UART | SPI | I2C |
|---|---|---|---|
| Ligne d’horloge | Non | Oui | Oui |
| Topologie typique | Point à point | Contrôleur-périphérique | Bus partagé |
| Complexité | Low | Modéré | Modéré |
| Adressage intégré | Non | Non | Oui |
| Force commune | Simplicité | Vitesse | Moins de fils pour de nombreux appareils |
UART propose des liens simples et directs ainsi qu’un accès au terminal. SPI convient à une communication à plus haute vitesse. L’I2C convient aux cas où plusieurs appareils partagent un même bus avec moins de lignes de signalisation.
Conclusion
UART reste utilisé car il offre une communication simple et directe avec une faible complexité matérielle. Ses performances dépendent de réglages adaptés, d’un câblage TX et RX correct, d’une mise à la terre partagée, de niveaux de tension compatibles, et d’une gestion correcte du calage, du tampon et des drapeaux d’erreur. Comprendre la structure des images, le débit en bauds, le contrôle du flux et les causes courantes des défauts aide à expliquer pourquoi les liens UART échouent et comment la communication stable est maintenue dans les systèmes embarqués.
Foire aux questions [FAQ]
Un UART peut-il envoyer et recevoir en même temps ?
Oui. UART prend en charge la communication full-duplex, ce qui lui permet d’envoyer des données en TX tout en recevant simultanément sur RX.
Que signifie 8N1 dans l’UART ?
8N1 signifie 8 bits de données, pas de parité, et 1 bit d’arrêt.
Un UART peut-il se connecter à plusieurs appareils ?
Pas directement. UART est principalement destiné à la communication un à un et n’inclut pas d’adressage intégré.
9,4 Le débit en bauds est-il le même que le débit binaire dans l’UART ?
En UART standard, oui. Ils sont traités comme identiques car chaque symbole porte un bit.
Pourquoi utiliser un adaptateur USB-vers-UART ?
Il permet à un ordinateur de communiquer via une interface UART via USB.
L’UART inclut-il le chiffrement ou la correction avancée d’erreurs ?
Non. L’UART n’inclut ni chiffrement ni correction avancée d’erreurs en soi.
