No universo dos dispositivos, os protocolos de comunicação funcionam como idiomas para os humanos, permitindo a troca de informações. Com o avanço acelerado da tecnologia, surgiram inúmeros protocolos. No entanto, ao lidar com Arduinos e placas eletrônicas, é necessário conhecer apenas alguns. Entre eles, o protocolo UART se destaca por sua simplicidade e facilidade de entendimento. Conheça também o protocolo RS232, essencial para comunicação com dispositivos.

Resumindo o protocolo UART

Protocolo UART, que significa receptor/transmissor assíncrono universal, é um protocolo simples para troca de dados seriais entre dois dispositivos. Ele permite enviar e receber dados usando apenas duas conexões principais: uma para transmissão (TX) e outra para recepção (RX). No UART, o fio de transmissão de um dispositivo se conecta ao fio de recepção do outro dispositivo, e vice-versa. Além disso, um fio de aterramento (GND) é necessário para garantir que ambos os dispositivos compartilhem a mesma referência de tensão, o que é comum em qualquer tipo de comunicação entre dispositivos.

Existem três modos de comunicação no UART: simplex, half-duplex e full-duplex. No modo simplex, os dados são transmitidos em apenas uma direção. No modo half-duplex, ambas as partes podem enviar dados, mas não ao mesmo tempo. No modo full-duplex, é possível que ambas as partes enviem dados simultaneamente. Esses dados são transmitidos em forma de quadros.

Taxa de transmissão

O protocolo UART é assíncrono, como indicado pela letra “A” na sigla. Isso significa que os dispositivos transmissor e receptor não compartilham um sinal de clock comum. Embora isso simplifique o protocolo, exige que ambos os dispositivos operem na mesma taxa de baud ou velocidade pré-estabelecida para se comunicarem corretamente. Caso contrário, a mensagem pode ser distorcida e mal interpretada.

A taxa de baud é a velocidade na qual as informações são transferidas em um canal de comunicação. As taxas de baud mais comuns para UART atualmente são 4800, 9600, 19200, 57600 e 115200. Quanto maior a taxa de baud, mais sensível o cabo se torna à qualidade da instalação. Para taxas de baud altas, recomenda-se o uso de cabos mais curtos.

Mas o que significa exatamente uma taxa de 9600 baud? Significa que um dispositivo pode enviar até 9600 bits, ou seja, uns e zeros, por segundo. Para o UART e a maioria das outras comunicações seriais, a taxa de baud deve ser a mesma nos dispositivos transmissor e receptor.

Como funciona o protocolo UART

A comunicação UART é realizada em estruturas chamadas de frames. Cada frame é composto por bits, que são pedaços de informação enviados sequencialmente por uma linha. Esses bits incluem, na seguinte ordem: um bit de início, bits de dados, um bit de paridade opcional e um ou dois bits de parada. Cada bit pode ter uma tensão alta (indicando um valor lógico 1) ou baixa (indicando um valor lógico 0). Esses níveis de tensão são, às vezes, chamados de “mark” para sinal alto e “space” para sinal baixo.

Essa estrutura permite que os dispositivos se comuniquem de forma eficaz, mesmo sem um sinal de clock compartilhado, ao garantir que ambos os lados interpretem os bits da mesma maneira.

No estado ocioso, quando nenhum dado está sendo enviado ou recebido, a linha de comunicação UART mantém uma tensão alta. Essa ideia foi herdada da telegrafia, onde uma linha em estado alto indicava que o transmissor não estava danificado.

Diferente de outros protocolos de comunicação, o UART não adota o conceito de controladores e periféricos. Isso o torna uma escolha padrão e simples para estabelecer uma interface quando apenas dois dispositivos precisam se comunicar diretamente. Essa simplicidade é uma das razões pelas quais o UART é amplamente utilizado em sistemas embarcados e comunicação entre microcontroladores.

Bit de início (start)

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) é um protocolo de comunicação assíncrono, o que significa que não há uma linha de clock compartilhada, diferentemente do protocolo I2C. Para indicar que os dados estão prestes a ser enviados, um bit de início é transmitido primeiro. Isso faz com que o sinal saia do estado ocioso alto para um estado baixo. Após o bit de início, os bits de dados são enviados imediatamente.

Essa característica assíncrona do UART exige que tanto o transmissor quanto o receptor concordem previamente sobre a taxa de transmissão (baud rate) para que a comunicação ocorra corretamente. Além disso, após o envio dos bits de dados, um ou mais bits de parada são enviados para sinalizar o final da transmissão. Essa estrutura simples e eficaz torna o UART uma escolha popular para comunicações seriais em muitos sistemas eletrônicos.

Bit de dados (data)

No protocolo UART, os bits de dados são aqueles que realmente carregam a mensagem. Pode haver entre 5 e 9 bits de dados, mas 7 ou 8 são mais comumente usados. Eles são enviados pela linha começando pelo bit menos significativo (LSB).

Por exemplo, se quisermos enviar a primeira letra do nosso nome, a letra maiúscula “S”, usando UART, precisamos considerar a sequência ASCII de 7 bits para esse caractere, que é 1010011. Como os bits são enviados do menos significativo para o mais significativo, devemos inverter essa sequência. Assim, ela se torna 1100101.

Analisando essa sequência invertida, os dois primeiros bits seriam altos, seguidos por dois bits baixos. Em seguida, temos mais um bit alto, depois um baixo e, por fim, um bit alto novamente para completar a sequência ASCII da letra maiúscula “S”. Essa sequência de bits é então transmitida após o bit de início e seguida por um ou mais bits de parada para completar o quadro de dados UART.

Bit de paridade (parity)

O UART utiliza um bit de paridade opcional para verificar se há erros em uma sequência ou se os dados foram alterados. Os bits de dados podem ser modificados de várias maneiras, como taxas de baud incompatíveis, transferências de dados de longa distância, entre outros. O bit de paridade pode ser encontrado entre o último bit de dados e o bit de parada. O valor do bit de paridade depende do tipo de paridade utilizada, que pode ser par ou ímpar.

Tanto a paridade par quanto a ímpar analisam o número de bits “1” em um quadro. Na paridade par, o bit de paridade é ajustado de forma que o número total de bits “1”, incluindo o bit de paridade, seja par. Da mesma forma, na paridade ímpar, esse número deve ser ímpar. Isso ajuda a detectar erros simples de um único bit no processo de transmissão de dados. Se o número de bits “1” não corresponder à paridade esperada ao receber os dados, isso indica que ocorreu um erro durante a transmissão.

Vamos analisar o exemplo de envio da letra maiúscula “S” usando UART. A sequência ASCII para “S” é composta por três zeros e quatro uns. Se a paridade par for utilizada, o bit de paridade será 0, pois já há um número par de uns no quadro. No entanto, se a paridade ímpar for utilizada, o bit de paridade deve ser 1 para que o número total de uns seja ímpar.

Quando ambos os dispositivos concordam com o uso de paridade par, o receptor deve receber um número par de uns, incluindo o bit de paridade. Se o receptor receber um número ímpar de uns, isso indica que os dados foram corrompidos, e eles serão descartados. O receptor, então, aguardará o envio de um novo quadro.

Para simplificar: paridade par significa um número par de uns considerando tanto os bits de dados quanto o bit de paridade, enquanto a paridade ímpar significa um número ímpar.

É importante lembrar dois pontos sobre o bit de paridade: primeiro, ele só pode detectar um único bit invertido. Se mais de um bit for invertido, essas alterações não poderão ser detectadas de forma confiável. Segundo, o bit de paridade é opcional no UART e nem sempre é utilizado. Isso significa que, em algumas configurações, a verificação de paridade pode ser desabilitada para simplificar a comunicação, especialmente se a confiabilidade da linha de comunicação for alta.

Bit de interrupção (stop bit)

Após os bits de dados e o bit de paridade opcional, o bit de parada é usado para finalizar o quadro. Diferente do bit de início, onde o sinal vai de alto para baixo, no bit de parada, o sinal vai de baixo para alto. Se o sinal já estava alto antes de chegar ao bit de parada, ele permanecerá alto.

É necessário pelo menos um bit de parada em um quadro. Um segundo bit de parada, que é opcional, pode ser configurado. Isso dá ao receptor mais tempo para se preparar para o próximo quadro. No entanto, essa prática é incomum e não é frequentemente observada. A inclusão de um segundo bit de parada pode ser útil em situações onde é necessário garantir que o receptor tenha tempo suficiente para processar cada quadro, mas geralmente, um único bit de parada é suficiente para a maioria das aplicações.

Vantagens e Desvantagens do protocolo UART

O UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) é um protocolo de comunicação bastante simples, tornando-o vantajoso para projetos menores, especialmente quando há apenas dois dispositivos se comunicando. No entanto, para projetos com três ou mais dispositivos, pode ser melhor considerar outras opções de comunicação.

Vantagens do protocolo UART

• Uso de apenas dois fios: Simplifica o design e a instalação.
• Sem necessidade de sinal de clock: Facilita a implementação, pois não requer sincronização adicional.
• Bit de paridade para verificação de erros: Permite a detecção de erros simples nos dados transmitidos.
• Menor custo e tamanho em comparação com a comunicação paralela: Ideal para projetos com restrições de espaço e orçamento.
• Suporta distâncias de até aproximadamente 15 metros: Adequado para conexões de curta a média distância.

Desvantagens do protocolo UART

• Quadro de dados limitado a um máximo de 9 bits: Restringe a quantidade de dados que podem ser transmitidos em um único quadro.
• Não suporta comunicação com múltiplos controladores e periféricos: Limita seu uso em redes mais complexas.
• Não é adequado para aplicações que requerem altas taxas de transmissão de dados: Pode ser um gargalo em sistemas que exigem transferência rápida de informações.
• Velocidade de transferência de dados menor em comparação com a comunicação paralela: Pode não ser ideal para aplicações que exigem alta largura de banda.
• Dispositivos precisam estar na mesma taxa de baud: Necessário garantir que todos os dispositivos estejam configurados para a mesma velocidade de comunicação para evitar erros.

Esses fatores tornam o UART uma escolha excelente para projetos simples e de baixa complexidade, mas menos ideal para aplicações que demandam alta velocidade e comunicação entre múltiplos dispositivos.

Aplicações práticas do protocolo UART

Embora o UART possa não ser tão utilizado hoje em dia, ele foi bastante popular no passado. Protocolos como I2C e SPI estão gradualmente substituindo o UART em chips e componentes. A maioria dos computadores modernos e periféricos utiliza tecnologias como USB e Ethernet.

No entanto, isso não significa que o UART seja obsoleto. Dispositivos que utilizam interfaces RS-232, como modems externos, ainda são exemplos de onde o UART é empregado. Microcontroladores e dispositivos baseados em microcontroladores geralmente possuem pelo menos um periférico UART integrado. UARTs especializados podem ser encontrados em carros, SIMs e cartões inteligentes. Devido à sua simplicidade, baixo custo e fácil implementação, o UART é usado em aplicações de menor velocidade e menor taxa de transferência, sendo principalmente uma forma de comunicação entre dispositivos.

Compreender o funcionamento do UART é útil, e recomendamos também estudar os protocolos I2C e SPI. Entender esses três protocolos pode ser valioso ao lidar com sistemas mais complexos no futuro.

Conclusão

Em resumo, embora o UART não seja tão predominante nos sistemas modernos quanto outras tecnologias como USB e Ethernet, ele continua a desempenhar um papel importante em aplicações específicas devido à sua simplicidade e custo-benefício. Sua presença em dispositivos como microcontroladores e interfaces RS-232 demonstra sua utilidade em ambientes que exigem comunicações de baixa velocidade. Além disso, o conhecimento sobre UART, juntamente com outros protocolos como I2C e SPI, é essencial para quem deseja se aprofundar no desenvolvimento e na integração de sistemas eletrônicos, fornecendo uma base sólida para enfrentar desafios tecnológicos mais complexos no futuro.