Что такое UART? Подключение TX/RX, скорость в бодах и Serial на Arduino

Краткий ответ на вопрос «Что такое UART?»: UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, универсальный асинхронный приёмопередатчик) — аппаратный узел последовательной связи, который позволяет двум устройствам обмениваться данными побайтно всего по двум сигнальным проводам (TX и RX) с общей землёй GND. Каждая строка, которую ты видишь в мониторе порта, когда Arduino подключена к компьютеру, поступает через UART. Десятки модулей, например GPS-приёмники, Bluetooth-модуль HC-05, Wi-Fi-модуль ESP-01, GSM-модуль SIM800L, сканеры отпечатков пальцев и MP3-плееры, тоже общаются с Arduino по UART.

В этой статье мы пошагово разберём, почему UART не нужна тактовая линия, что такое скорость в бодах, как байт оформляется стартовым битом, битами данных и стоповым битом, зачем перекрёстно подключают TX и RX, как наладить сначала одностороннюю, а затем двустороннюю связь двух Arduino, каковы ограничения SoftwareSerial, как безопасно соединять платы на 5 V и 3,3 V, а также три UART у ESP32 и пины UART у Raspberry Pi Pico. В последнем разделе ты узнаешь, как формировать пакеты с начальным и конечным символами, чтобы данные не смешивались, и разберёшь самые частые ошибки.

Что такое UART и как он работает?

Ключевое слово в названии UART — «асинхронный»: в I2C и SPI вместе с данными передаётся тактовый сигнал, а у UART тактовой линии нет. Вместо этого обе стороны заранее договариваются о скорости — скорости в бодах. В состоянии покоя линия находится в HIGH (1). Чтобы отправить байт, передатчик переводит линию в LOW на время одного бита; это стартовый бит, который сообщает приёмнику: «Начинай отсчёт». Затем идут 8 бит данных, начиная с младшего значащего бита (LSB), за ними может следовать необязательный бит чётности, и наконец линия удерживается в HIGH не менее одного битового интервала; это стоповый бит. Настройка Arduino по умолчанию — 8N1: 8 бит данных, без чётности, 1 стоповый бит.

Каждый бит длится 1 / baud секунды. При 9600 бод на бит приходится 104,2 микросекунды; поскольку кадр 8N1 содержит 10 бит на байт (старт + 8 бит данных + стоп), можно передать максимум 960 байт в секунду. Обнаружив спадающий фронт стартового бита, приёмник считывает уровень линии в середине каждого бита. Даже если частоты двух генераторов немного различаются, данные читаются правильно, пока накопленная за 10 бит ошибка меньше половины бита; поэтому суммарная ошибка скорости должна оставаться примерно ниже 2–3%. Arduino Uno с кварцевым резонатором на 16 MHz не может точно обеспечить 115200 бод, и реальная скорость отличается примерно на 2,1%; связь всё равно работает, поскольку это в допустимых пределах.

Сравнение UART, I2C и SPI

Три самых распространённых способа последовательной связи на Arduino — UART, I2C и SPI. UART работает только между двумя устройствами, один к одному, и обе стороны могут передавать данные в любой момент (полный дуплекс). I2C объединяет десятки устройств на двух общих проводах с помощью адресов; SPI гораздо быстрее и использует четыре провода, но требует отдельного пина выбора для каждого устройства. Подробности — в статьях «Что такое I2C» и «Что такое SPI».

Перекрёстное подключение TX и RX и общая земля GND

Золотое правило подключения UART: пин TX (передача) одного устройства подключается к пину RX (приём) другого, то есть провода перекрещиваются. Представь связь рта и уха: когда один говорит, другой должен слушать. Если соединить TX с TX, два выхода окажутся соединены, и данные не пройдут. Третий провод, GND, задаёт обеим платам общую точку отсчёта напряжения; без него «HIGH» и «LOW» теряют смысл, а входящие данные превращаются в мусорные символы. Даже при питании плат от разных источников их земли нужно соединить.

Связь двух Arduino: в одну сторону

В первом примере плата A десять раз в секунду передаёт плате B значение потенциометра на A0, а плата B соответственно регулирует яркость светодиода на D9. Обе платы используют SoftwareSerial на D10 (RX) и D11 (TX), оставляя USB-соединение и монитор порта свободными. Поскольку значения отправляются через println(), каждое число завершается символами «\r\n» (конец строки); по ним приёмник понимает, что число передано полностью. Подключение: D11 платы A к D10 платы B, D10 платы A к D11 платы B и земли вместе.

1#include <SoftwareSerial.h>
2
3SoftwareSerial link(10, 11);    // RX = 10, TX = 11 (diğer karta / to the other board)
4
5void setup() {
6  Serial.begin(9600);           // USB: bilgisayar / computer
7  link.begin(9600);             // iki tarafta aynı baud / same baud on both sides
8}
9
10void loop() {
11  int deger = analogRead(A0);   // potansiyometre 0-1023 / potentiometer 0-1023
12  link.println(deger);          // ör. "512\r\n" / e.g. "512\r\n"
13  Serial.println(deger);
14  delay(100);                   // saniyede 10 ölçüm / 10 readings per second
15}
16

1#include <SoftwareSerial.h>
2
3SoftwareSerial link(10, 11);    // RX = 10, TX = 11
4const int LED_PIN = 9;          // PWM pini / PWM pin
5
6char tampon[8];                 // en fazla 7 karakter + '\0' / up to 7 chars + '\0'
7byte konum = 0;
8
9void setup() {
10  Serial.begin(9600);
11  link.begin(9600);
12  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
13}
14
15void loop() {
16  while (link.available()) {               // gelen her baytı oku / read every incoming byte
17    char c = link.read();
18    if (c == '\n') {                       // satır bitti / line complete
19      tampon[konum] = '\0';
20      int deger = atoi(tampon);
21      analogWrite(LED_PIN, map(deger, 0, 1023, 0, 255));
22      Serial.println(deger);
23      konum = 0;
24    } else if (c != '\r' && konum < sizeof(tampon) - 1) {
25      tampon[konum++] = c;                 // satıra ekle / append to the line
26    }
27  }
28}
29

В коде приёмника обрати внимание на две вещи. Во-первых, данные никогда не приходят «целиком»: «512» поступает как три отдельных байта с промежутками примерно в 1 миллисекунду. Поэтому мы собираем байты в буфере и преобразуем их в число, когда приходит конец строки. Во-вторых, код никогда не ждёт: функции вроде readString() или parseInt() при отсутствии данных по умолчанию ждут 1 секунду и замедляют программу. Читать байты по мере поступления — самый надёжный и быстрый подход. Мы также ограничиваем размер буфера, чтобы повреждённые данные не записывались за пределы массива.

Двусторонняя связь: команда и ответ

В реальных проектах обычно нужен двусторонний обмен: одна плата отправляет команду, другая выполняет её и отвечает. В примере ниже плата A работает как мост: пересылает B каждый символ, введённый в мониторе порта, и выводит каждый символ, поступающий от B. Плата B понимает команды «LED ON», «LED OFF» и «DURUM?» (состояние), отвечает на каждую и также самостоятельно сообщает о нажатии кнопки на D2. Не забудь выбрать конец строки Newline («Новая строка») в мониторе порта; по этому символу B определяет завершение команды.

1#include <SoftwareSerial.h>
2
3SoftwareSerial link(10, 11);    // RX = 10, TX = 11
4
5void setup() {
6  Serial.begin(9600);
7  link.begin(9600);
8  Serial.println("Komut yaz / type a command: LED ON, LED OFF, DURUM?");
9}
10
11void loop() {
12  if (Serial.available()) link.write(Serial.read());   // bilgisayar -> B kartı / computer -> board B
13  if (link.available()) Serial.write(link.read());     // B kartı -> bilgisayar / board B -> computer
14}
15

1#include <SoftwareSerial.h>
2
3SoftwareSerial link(10, 11);    // RX = 10, TX = 11
4const int LED_PIN = 13;         // kart üstündeki LED / on-board LED
5const int BUTON_PIN = 2;        // buton GND'ye / button to GND
6
7String satir = "";
8int oncekiButon = HIGH;
9
10void komutCalistir(String k) {
11  k.trim();                                  // \r ve boşlukları at / strip \r and spaces
12  if (k == "LED ON") {
13    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
14    link.println("OK LED=1");
15  } else if (k == "LED OFF") {
16    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
17    link.println("OK LED=0");
18  } else if (k == "DURUM?") {                // durum sorgusu / status query
19    link.print("LED=");
20    link.print(digitalRead(LED_PIN));
21    link.print(" BUTON=");
22    link.println(digitalRead(BUTON_PIN) == LOW ? 1 : 0);
23  } else {
24    link.print("HATA / unknown: ");
25    link.println(k);
26  }
27}
28
29void setup() {
30  link.begin(9600);
31  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
32  pinMode(BUTON_PIN, INPUT_PULLUP);
33  satir.reserve(32);
34}
35
36void loop() {
37  while (link.available()) {
38    char c = link.read();
39    if (c == '\n') {
40      komutCalistir(satir);
41      satir = "";
42    } else if (satir.length() < 31) {
43      satir += c;
44    }
45  }
46
47  int buton = digitalRead(BUTON_PIN);        // değişince kendiliğinden bildir / report changes unprompted
48  if (buton != oncekiButon) {
49    oncekiButon = buton;
50    link.println(buton == LOW ? "BUTON BASILDI / pressed" : "BUTON BIRAKILDI / released");
51    delay(20);                               // basit debounce / simple debounce
52  }
53}
54

Вызов trim() на плате B удаляет символ \r, который приходит при настройке монитора порта «Both NL & CR», и лишние пробелы, поэтому команды распознаются при обеих настройках. Вызов reserve(32) для объекта String предотвращает повторное выделение памяти при каждом добавлении символа и уменьшает фрагментацию 2 КБ ОЗУ Uno. Эта структура также лежит в основе обмена с Arduino из программы на Python на компьютере; подробности — в статье «Последовательная связь Arduino с Python».

Ограничения SoftwareSerial

SoftwareSerial имитирует UART программно вместо аппаратной реализации: процессор самостоятельно отсчитывает время каждого бита. Это очень удобно, но имеет свою цену. При передаче прерывания отключаются на всё время каждого байта; при 9600 бод это около 1 миллисекунды на байт, в течение которой millis() может отставать, импульсы сервопривода — дрожать, а данные другого последовательного порта — теряться. Одновременно принимать данные может только один порт SoftwareSerial; если открыть второй, нужно выбрать принимающий порт через listen(). На платах вроде Mega и Leonardo для RX подходят только определённые пины с поддержкой прерываний.

Согласование уровней 5V и 3.3V

В UART уровень «HIGH» равен рабочему напряжению платы: 5 V у Arduino Uno, 3,3 V у ESP32, Raspberry Pi Pico, ESP-01 и большинства современных модулей. Если напрямую подключить выход TX на 5 V ко входу RX на 3,3 V, вход получит перенапряжение, которое повредит пин сразу или со временем; ESP32 и Pico на RP2040 не выдерживают 5 V. Обратное направление обычно работает: Uno воспринимает 3,0 V и выше как HIGH, поэтому читает TX с уровнем 3,3 V, но это близко к порогу, и на длинных проводах преобразователь уровней надёжнее.

UART на ESP32: Serial, Serial1 и Serial2

У ESP32 есть три аппаратных UART, и самое удобное — благодаря матрице GPIO их линии можно переназначить почти на любые пины. UART0 (Serial) подключён к USB-UART-преобразователю и используется монитором порта. UART2 (Serial2) по умолчанию выведен на GPIO 16 (RX) и 17 (TX). Старые пины UART1 по умолчанию (GPIO 9 и 10) подключены к флеш-памяти платы и не подходят для прямого использования, поэтому всегда запускай Serial1 с указанием пинов: begin(baud, SERIAL_8N1, RX, TX). Код ниже создаёт двусторонний мост между монитором порта и устройством на UART2 (GPS, другой Arduino, датчиком); он идеально подходит для просмотра предложений NMEA от GPS-модуля.

1// ESP32: UART0 = Serial (USB), UART2 = Serial2 (GPIO 16/17)
2const int RXD2 = 16;            // karşı cihazın TX'i buraya / the other device's TX goes here
3const int TXD2 = 17;            // karşı cihazın RX'ine / to the other device's RX
4
5void setup() {
6  Serial.begin(115200);                          // USB Seri Monitör / USB Serial Monitor
7  Serial2.begin(9600, SERIAL_8N1, RXD2, TXD2);   // baud, çerçeve, RX, TX / baud, frame, RX, TX
8  // UART1'i de istediğin pinlere taşıyabilirsin / UART1 can be moved to any free pins:
9  // Serial1.begin(115200, SERIAL_8N1, 25, 26);
10  Serial.println("UART2 hazir / ready");
11}
12
13void loop() {
14  while (Serial2.available()) Serial.write(Serial2.read());   // UART2 -> USB
15  while (Serial.available()) Serial2.write(Serial.read());    // USB -> UART2
16}
17

UART у ESP32 работают на скорости до 5 Мбод, и у каждого есть аппаратный буфер; приёмный буфер по умолчанию составляет 256 байт, его можно увеличить до begin() вызовом вроде Serial2.setRxBufferSize(1024). Это важно для GPS-модулей, передающих десятки предложений в секунду, или GSM-модулей с длинными ответами. Поскольку пины ESP32 работают на 3,3 V, при подключении Arduino на 5 V не забудь делитель из предыдущего раздела. Распиновку ESP32 можно посмотреть в утилите распиновки.

Пины UART Raspberry Pi Pico и MicroPython

У Raspberry Pi Pico два аппаратных UART (uart0 и uart1), каждый можно вывести на несколько разных пар пинов. В MicroPython REPL и вывод print() работают через отдельный виртуальный последовательный порт по USB, поэтому UART0 полностью свободен; отключать провода при загрузке кода, как на Arduino, не нужно. Пины Pico работают на 3,3 V, а у Pico на RP2040 не выдерживают 5 V. Код ниже выполняет на Pico те же задачи, что плата B на Arduino: читает строки из UART0, включает и выключает встроенный светодиод командами «LED ON» и «LED OFF» и отвечает. Если хочешь связать его со скетчем моста на Uno, не забудь делитель напряжения на линии TX Uno.

1from machine import UART, Pin
2import time
3
4uart = UART(0, baudrate=9600, tx=Pin(0), rx=Pin(1))   # UART0: GP0 = TX, GP1 = RX
5led = Pin("LED", Pin.OUT)                             # Pico ve Pico W dahili LED / on-board LED
6
7tampon = b""
8while True:
9    if uart.any():
10        tampon += uart.read()                         # gelen baytlar / incoming bytes
11        while b"\n" in tampon:                        # her tam satırı işle / handle each full line
12            satir, tampon = tampon.split(b"\n", 1)
13            try:
14                komut = satir.decode().strip()
15            except UnicodeError:
16                continue                              # bozuk bayt: atla / corrupt byte: skip
17            if komut == "LED ON":
18                led.on()
19                uart.write("OK LED=1\n")
20            elif komut == "LED OFF":
21                led.off()
22                uart.write("OK LED=0\n")
23            else:
24                uart.write("HATA / unknown: " + komut + "\n")
25    if len(tampon) > 64:                              # satır sonu hiç gelmezse taşmayı önle / avoid overflow
26        tampon = b""
27    time.sleep_ms(5)
28

Формирование пакетов: начальный и конечный символы

UART — поток байтов; он не знает, где что начинается и заканчивается. Когда передатчик отправляет «23.5,48,812», приёмник может начать слушать с середины, байт может потеряться из-за помех, или два измерения могут слиться. Решение — оформить данные в пакет: если каждый пакет начинается с «<» и заканчивается «>», приёмник игнорирует всё до первого «<», обрабатывает пакет при поступлении «>» и отбрасывает неполные пакеты между ними. Передатчику нужно лишь вывести значения между Serial.print('<'), запятыми и Serial.print('>'). Код приёмника ниже можно сразу проверить, введя <23.5,48,812> в монитор порта.

1// Paket biçimi / packet format: <sicaklik,nem,isik>  ör. / e.g. <23.5,48,812>
2const byte MAKS = 32;
3char tampon[MAKS];
4byte konum = 0;
5bool paketIcinde = false;                    // '<' görüldü mü? / have we seen '<'?
6
7void paketiIsle(char* p) {
8  char* parca = strtok(p, ",");              // ilk alan / first field
9  if (!parca) return;
10  float sicaklik = atof(parca);
11  parca = strtok(NULL, ",");
12  if (!parca) return;                        // eksik alan: paketi at / missing field: drop
13  int nem = atoi(parca);
14  parca = strtok(NULL, ",");
15  if (!parca) return;
16  int isik = atoi(parca);
17
18  Serial.print("Sicaklik / temp: ");
19  Serial.print(sicaklik, 1);
20  Serial.print("  Nem / humidity: ");
21  Serial.print(nem);
22  Serial.print("  Isik / light: ");
23  Serial.println(isik);
24}
25
26void setup() {
27  Serial.begin(9600);                        // Seri Monitör'den <23.5,48,812> yazarak dene / test from the Serial Monitor
28}
29
30void loop() {
31  while (Serial.available()) {
32    char c = Serial.read();
33    if (c == '<') {                          // yeni paket başladı / a new packet starts
34      paketIcinde = true;
35      konum = 0;
36    } else if (c == '>' && paketIcinde) {    // paket bitti / packet complete
37      tampon[konum] = '\0';
38      paketIcinde = false;
39      paketiIsle(tampon);
40    } else if (paketIcinde) {
41      if (konum < MAKS - 1) tampon[konum++] = c;
42      else paketIcinde = false;              // çok uzun, bozuk: at / too long, corrupt: drop
43    }                                        // paket dışındaki baytlar yok sayılır / bytes outside packets are ignored
44  }
45}
46

При помехах или длинных проводах можно пойти дальше и добавить к пакету контрольную сумму. Хороший пример — формат NMEA, используемый GPS-модулями: все символы между «$» и «*» объединяются операцией XOR, а результат записывается в конце как двузначное шестнадцатеричное число. Приёмник выполняет такой же расчёт и отбрасывает пакет, если результат не совпадает. Это защищает от незаметных ошибок, например когда повреждённое значение «812» обрабатывается как «872».

Идеи проектов с UART

• Управление с телефона: Bluetooth-модуль HC-05 по сути является беспроводным UART; управляй светодиодом, реле или робомашинкой с телефона через HC-05.
• Запись GPS-координат: разбирай предложения NMEA, которые модуль NEO-6M GPS отправляет по UART, и записывай координаты на SD-карту.
• Система из двух плат: соедини по UART Uno, считывающую датчики, с ESP32, которая отправляет данные в интернет через Wi-Fi.
• SMS-сигнализация: отправляй AT-команды модулю SIM800L по UART и получай SMS при открытии двери.
• Панель управления на компьютере: отправляй команды Arduino из настольного приложения на Python и строй графики данных датчиков.
• MP3-плеер: выбирай треки, регулируй громкость и воспроизводи голосовые оповещения по UART с помощью DFPlayer Mini.

Частые ошибки и их решение

UART — первый способ связи, который стоит освоить в электронике: достаточно двух проводов, общей земли GND и одинаковой скорости в бодах; при правильной настройке он работает годами без проблем. Освоив перекрёстное подключение, согласование уровней и формирование пакетов, ты сможешь легко использовать десятки модулей — от GPS до GSM. В приложении BlueGrays есть пошаговые проекты со схемами и кодом: односторонняя и двусторонняя связь между двумя Arduino, включение светодиода с телефона по Bluetooth и машинка с управлением по Bluetooth.