Złącze dla sygnału UART

Złącze dla sygnału UART to gniazdo umożliwiające asynchroniczną komunikację szeregową, wykorzystywaną m.in. w diagnostyce.

Budowa i rola złącza UART

Złącze dla sygnału UART jest punktem dostępu do asynchronicznej komunikacji szeregowej. UART, czyli Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, nie jest samym rodzajem gniazda, lecz układem lub funkcją kontrolera odpowiedzialną za zamianę danych równoległych na strumień bitów przesyłanych szeregowo oraz za odtworzenie danych po stronie odbiornika. Złącze może mieć postać pojedynczych pól lutowniczych, listwy pinowej, gniazda serwisowego albo wyprowadzeń umieszczonych na płycie głównej. Jego wygląd i liczba styków zależą od konkretnego urządzenia.

Najczęściej wykorzystywane są linie TX, RX i GND. TX służy do nadawania danych, RX do ich odbierania, a GND zapewnia wspólny punkt odniesienia dla poziomów napięcia. Połączenie między dwoma urządzeniami wykonuje się zwykle krzyżowo: TX jednego urządzenia łączy się z RX drugiego, natomiast RX z TX. Masa musi być połączona bezpośrednio. Dodatkowe styki mogą prowadzić zasilanie, sygnały sterowania przepływem danych, takie jak RTS i CTS, albo inne sygnały pomocnicze związane z konstrukcją konkretnej płyty.

Parametry transmisji i poziomy elektryczne

Transmisja UART nie wykorzystuje osobnego przewodu zegarowego. Nadajnik i odbiornik muszą dlatego mieć zgodnie ustawione podstawowe parametry: szybkość transmisji, liczbę bitów danych, sposób kontroli parzystości oraz liczbę bitów stopu. Popularnym ustawieniem jest 8N1, czyli osiem bitów danych, brak kontroli parzystości i jeden bit stopu, ale samo złącze UART nie narzuca tego wariantu. W strumieniu znajdują się między innymi bit startu, bity danych oraz bit lub bity stopu, dzięki którym odbiornik rozpoznaje granice poszczególnych znaków.

Określenie UART nie definiuje jednego, uniwersalnego poziomu napięcia. W urządzeniach elektronicznych można spotkać interfejsy o poziomach logicznych TTL lub CMOS, na przykład 5 V albo 3,3 V, lecz wartość musi być potwierdzona dla konkretnej płyty. Nie wolno utożsamiać takiego złącza bezpośrednio z portem RS-232. RS-232 stosuje inne poziomy napięć i odwróconą polaryzację sygnału w stosunku do typowych wyprowadzeń logicznych UART. Bezpośrednie połączenie niewłaściwych interfejsów może powodować błędy transmisji, a w niektórych przypadkach doprowadzić do uszkodzenia wejść lub wyjść układu.

Rozpoznawanie pinów przed podłączeniem

Sam kształt listwy pinowej nie wystarcza do ustalenia funkcji styków. Kolejność wyprowadzeń może być inna w każdej konstrukcji, a producent nie zawsze stosuje identyczne oznaczenia. Informacji należy szukać w dokumentacji serwisowej, schemacie płyty, opisie nadrukowanym na laminacie albo w oznaczeniach przy punktach testowych. Symbole TX, RX, GND, UART, DEBUG lub CON mogą wskazywać przeznaczenie złącza, ale brak oznaczeń nie oznacza, że można bezpiecznie przyjąć standardowy układ pinów.

Przed użyciem interfejsu trzeba ustalić co najmniej masę, kierunek transmisji i poziom logiczny. Pomocny może być pomiar napięcia stałego względem masy, jednak sam pomiar nie zawsze jednoznacznie rozpoznaje linię TX i RX, zwłaszcza gdy urządzenie nie nadaje danych podczas uruchamiania. Do obserwacji przebiegu stosuje się analizator logiczny albo oscyloskop, ustawiając właściwy próg napięcia i czas próbkowania. W diagnostyce należy unikać zwarcia między liniami oraz podawania napięcia na pin, który jest wyjściem badanego układu. Bezpieczniejszą praktyką jest rozpoczęcie od połączenia masy i odbioru danych, a dopiero później podłączanie toru nadawczego po potwierdzeniu dokumentacji.

Wykorzystanie złącza UART w diagnostyce sprzętu

Wyprowadzenie UART jest często stosowane jako interfejs serwisowy podczas uruchamiania i testowania płyty. Może przekazywać komunikaty programu rozruchowego, informacje o inicjalizacji pamięci, wykrywaniu urządzeń albo błędach sterowników. Odczyt takiego strumienia pomaga ustalić, czy urządzenie wykonuje kolejne etapy startu oraz w którym miejscu zatrzymuje się procedura uruchamiania. Złącze może więc dostarczyć informacji niedostępnych na ekranie, szczególnie gdy komputer nie wyświetla obrazu, resetuje się przed załadowaniem systemu albo reaguje tylko na zasilanie.

Brak danych na porcie nie musi oznaczać uszkodzenia samego UART. Przyczyną może być błędna szybkość transmisji, zamienione linie TX i RX, brak wspólnej masy, niewłaściwy konwerter poziomów, wyłączone komunikaty serwisowe lub uszkodzenie wcześniejszego etapu zasilania. Podczas naprawy laptopów, komputerów PC i ich podzespołów Warszawskie Pogotowie Komputerowe może wykorzystać analizę złączy serwisowych oraz pomiary na płycie do oceny toru komunikacji i lokalizacji usterki. Wnioski z odczytu UART powinny być łączone z pomiarami napięć, kontrolą zwarć i sprawdzeniem elementów płyty, ponieważ sam komunikat szeregowy opisuje tylko stan zgłaszany przez oprogramowanie urządzenia.