آموزش جامع ارتباط سریال UART در بردهای آردوینو – بخش اول

در این پست قصد  آموزش جامع پروتکل ارتباطی سریال داریم . ارتباط سریال برای ارتباط دو آردوینو با بکدیگر ، آردوینو به کامپیوتر  و یا ارتباط آردوینو با سایر دستگاه ها و ماژول‌ها استفاده می‌شود.در ادامه‌ی آموزش با سایت مرجع آردوینو، دیجی اسپارک همراه باشید.

 

---

ارتباط UART چیست

---

UART به معنای “Universal Asynchronous Receiver/Transmitter” است و یک رابط سریال است که برای انتقال داده ها بین دستگاه ها استفاده می شود. این رابط در میکروکنترلرها، ماژول ها و دستگاه های الکترونیکی دیگری یافت می شود.UART از نوعی ارتباط نامزد به نام “سریال نامزد” (asynchronous) استفاده می کند، به این معنی که اطلاعات به صورت تک تک بیت‌ها ارسال می شوند و بین بیت‌ها اطلاعات اضافی برای هماهنگی (مانند بیت استارت و بیت توقف) ارسال می شوند. این روش انتقال داده به این معنی است که هیچ ساعت مشترکی بین دستگاه فرستنده و گیرنده استفاده نمی شود و دستگاه ها باید برای هماهنگی بیت ها به دقت تنظیم شوند.

UART دارای دو خط اصلی است:

• Rx (Receiver): خط دریافت که داده های ورودی را به دستگاه گیرنده منتقل می کند.
• Tx (Transmitter): خط ارسال که داده های خروجی را از دستگاه فرستنده ارسال می کند.

در ارتباط UART، دستگاه فرستنده بیت های داده را به صورت پیوسته ارسال می کند، در حالی که دستگاه گیرنده آنها را می‌خواند. ارتباط UART به طور معمول از نرخ انتقال ثابتی برخوردار است که به عنوان “سرعت بودر” (baud rate) شناخته می شود و نشان دهنده تعداد بیت های داده ارسال شده در یک ثانیه است.ارتباط UART بسیار شایع در دستگاه های الکترونیکی است و برای انتقال داده های ساده و ارتباطات کوتاه مسافت استفاده می شود.

 

---

روش عملکرد ارتباط UART

---

ارتباط UART به صورتی کار می‌کند که دستگاه فرستنده و گیرنده به یکدیگر متصل می‌شوند و از طریق خطوط Tx و Rx به ارسال و دریافت داده ها می‌پردازند. فرایند کار ارتباط UART به شرح زیر است:

سرعت بودر (Baud Rate) تنظیم می‌شود: ابتدا، برای انتقال داده‌ها با سرعت خاصی، یک سرعت بودر برای ارتباط UART تنظیم می‌شود. سرعت بودر نشان دهنده تعداد بیت‌هایی است که در هر ثانیه ارسال می‌شوند.

تنظیمات فرستنده و گیرنده: دستگاه فرستنده و گیرنده باید تنظیماتی مشابه برای انتقال داده‌ها را داشته باشند. این تنظیمات شامل طول بیت (مثلاً ۸ بیت)، بیت استارت (یک بیت با مقدار LOW)، بیت توقف (یک یا دو بیت با مقدار HIGH) و جفت/فاصله بین بیت‌ها است.

ارسال داده توسط فرستنده: دستگاه فرستنده، داده‌ها را به ترتیب بیت به بیت از طریق خط Tx ارسال می‌کند. هر بیت با سرعت بودر تنظیم شده ارسال می‌شود.

دریافت داده توسط گیرنده: دستگاه گیرنده، بیت‌های دریافت شده را از خط Rx دریافت می‌کند. برای خواندن داده، گیرنده باید هماهنگی با بیت‌ها را در نظر بگیرد و بیت استارت و بیت توقف را تشخیص دهد.

فرستنده و گیرنده به توافق می‌رسند: هر بار که دستگاه فرستنده داده ارسال می‌کند، دستگاه گیرنده باید به درستی بیت‌ها را دریافت کند. برای این منظور، بیت استارت برای شروع بیت‌ها ارسال می‌شود و سپس بیت‌های داده به ترتیب ارسال می‌شوند. در نهایت، یک یا دو بیت توقف برای پایان بیت‌ها ارسال می‌شود.

پردازش داده دریافتی: بعد از دریافت بیت‌ها توسط گیرنده، آنها برای پردازش بیشتر به دستگاه یا نرم‌افزار مربوطه ارسال می‌شوند. دریافت کننده باید به طور صحیح بیت‌ها را تشخیص داده و اطلاعات را استخراج کند.

تکرار فرآیند: فرآیند ارسال و دریافت داده به صورت مستمر تکرار می‌شود، تا زمانی که ارتباط UART فعال است یا تا زمانی که دستور متوقف کردن ارتباط ارسال شود.

استفاده از خطوط Tx و Rx جداگانه بین فرستنده و گیرنده به معنای ارتباط نقطه به نقطه است، به این معنی که ارتباط بین دو دستگاه صرفاً مستقیم است. اما در برخی موارد، از روش‌هایی مانند RS-485 استفاده می‌شود که به امکان ارتباط یک-به-چند بین چندین دستگاه اجازه می‌دهد.

UART یک رابط سریال ساده است که به عنوان یک استاندارد متداول در دستگاه‌ها و ماژول‌های الکترونیکی استفاده می‌شود. از آن برای ارسال داده‌های ساده و کنترل دستگاه‌ها استفاده می‌شود و در بسیاری از برنامه ها و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از موارد استفاده UART عبارتند از:

ارتباطات میکروکنترلر: UART برای ارتباط میکروکنترلر با سایر دستگاه‌ها استفاده می‌شود. این ارتباطات شامل ارسال و دریافت داده‌ها، کنترل سنسورها و اجزای خارجی، ارتباط با نمایشگرها و دیگر دستگاه‌های جانبی است.

اتصال به ماژول‌ها و مدارهای خارجی: در برخی موارد، دستگاه‌ها نیاز به اتصال به ماژول‌ها و مدارهای خارجی مانند ماژول‌های سنسوری، ماژول‌های بلوتوث، ماژول‌های وای‌فای و غیره دارند. UART معمولاً برای ارتباط با این ماژول‌ها استفاده می‌شود.

ارتباطات سیستم‌های تعبیه شده: در سیستم‌های تعبیه شده که شامل دستگاه‌های الکترونیکی کوچک مانند دستگاه‌های پزشکی، دستگاه‌های خانگی هوشمند، رباتیک و سیستم‌های اتوماسیون صنعتی می‌شوند، UART استفاده می‌شود. این رابط ساده و موثر است و قابلیت ارتباط با اجزا مختلف را فراهم می‌کند.

برنامه‌های ارتباطات سریال: UART به عنوان یک رابط سریال استاندارد در برنامه‌های ارتباطات سریال مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای انتقال داده‌ها بین دستگاه‌های مختلف مانند رایانه‌ها، مودم‌ها، ماژول‌های GSM و GPS و دیگر دستگاه‌های ارتباطی، از UART استفاده می‌شود.

 

به طور خلاصه، UART یک روش سریال ساده است که برای ارتباط دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود. این رابط از نوع نامزد و بدون استفاده از ساعت مشترک است، به این معنی که هر دستگاه باید به طور مستقل تنظیم شود. ارتباط UART شامل فرستنده و گیرنده است که از خطوط جداگانه Tx و Rx استفاده می‌کنند.فرستنده داده‌ها را به ترتیب بیت به بیت ارسال می‌کند و گیرنده باید بیت‌ها را به درستی تشخیص داده و دریافت کند. برای هماهنگی، بیت استارت برای شروع داده‌ها و بیت توقف برای پایان آنها استفاده می‌شود.UART به دلیل سادگی و استفاده گسترده‌ای که در صنعت الکترونیک دارد، یکی از رابط‌های سریال محبوب است. با استفاده از UART، می‌توان داده‌ها را به صورت موثر و قابل اطمینان بین دستگاه‌های مختلف ارسال و دریافت کرد.

 

---

ارتباط UART در آردوینو

---

بردهای آردوینو از ارتباط UART به عنوان یکی از روش‌های ارتباطی پشتیبانی می‌کنند. در بردهای آردوینو، ارتباط UART از طریق پین‌های مشخصی برقرار می‌شود.بردهای آردوینو دارای حداقل یک پورت سریال سخت افزاری هستند که به طور پیش فرض به پین‌های مشخصی متصل شده است. به عنوان مثال، بردهای آردوینو UNO یا Nano دارای یک پورت سریال سخت افزاری با نام Serial است که به پین‌های ۰ (Rx) و ۱ (Tx) متصل شده است.برای استفاده از ارتباط UART در بردهای آردوینو، شما می‌توانید از کتابخانه Serial استفاده کنید. با استفاده از این کتابخانه، می‌توانید داده‌ها را از طریق پورت سریال خوانده و به آن ارسال کنید. به طور معمول، میکروکنترلر ATmega328P که در بردهای آردوینو استفاده می‌شود، دارای یک کنترلر UART سخت افزاری است که از آن می‌توانید برای ارتباط استفاده کنید.در کد برنامه آردوینو، می‌توانید از دستورات مانند Serial.begin() برای شروع ارتباط UART و Serial.print() و Serial.read() برای ارسال و دریافت داده استفاده کنید. همچنین، می‌توانید سرعت بودر ارتباط UART را با استفاده از تابع Serial.begin() تنظیم کنید.با استفاده از ارتباط UART در بردهای آردوینو، می‌توانید با دستگاه‌های دیگر مانند سنسورها، ماژول‌ها، نمایشگرها و دستگاه‌های خارجی دیگر ارتباط برقرار کنید و داده‌ها را تبادل کنید.تمام برد های آردوینو دارای حداقل یک عدد  پورت سریال می باشد که  اختصارا به آن ها UART ,USART گفته می‌شود. در آردوینو از پین‌های دیجیتال ۰ و ۱ برای راه اندازی پورت سریال استفاده می‌شود و میتوان به وسیله‌ی درگاه USB بر روی برد ،آردوینو را به کامپیوتر متصل نمود( پین ۰   RX(گیرنده اطلاعات)  و پین ۱   TX (فرستنده اطلاعات )می باشد).هنگامی که از پین های ۰ و ۱ به عنوان پروت سریال استفاده شود ، دیگر نمی‌توان از این پین ها به عنوان ورودی خروجی دیجیتال استفاده نمود. شما می‌توانید از سریال مانیتوری که در محیط نرم افزار آردوینو در نظر گرفته شده است برای انتقال دیتا میان کامپیوتر و آردوینو استفاده کنید.برای باز کردن سریال مانیتور همانند تصویر زیر عمل کنید.

 

 

 

پس از باز کردن این پنجره در قسمت boude rate ، مقداری که در هنگام استفاده از تابع begin وراد کرده اید را  در این قسمت وارد کنید( این قسمت به طور کامل در طول آموزش توضیح داده می‌شود). آردوینو Uno فقط دارای یک پورت ارتباط سریال می‌باشد که از پین های ۰ و ۱ برای این منظور استفاده شده است. آردوینو سری MEGA علاوه بر پورت سریالی که بر روی پین های ۰ و ۱ دارد ، دارای سه پورت سریال دیگر به نام‌های Serial1 , Serial2 , Serial3 می‌باشد.اگر شما قصد برقراری ارتباط آردوینو با کامپیوتر به وسیله‌ی این سه پورت ( Serial1 , Serial2 , Serial3) را دارید باید از یک مبدل USB TO Serial استفاده کنید.همچنین می‌توانید برای متصل کردن پورت‌های سریال آردوینو به کابل  DB9 ، مطابق مدار زیر از یک آی‌سی MAX232 استفاده کنید.

 

پلت فرم آردوینو دارای توابع و دستورالعمل های بسیار کاملی برای دریافت و ارسال دیتا توسط پروتکل سریال می‌باشد از این رو ارتباط سریال در آردوینو بسیار ساده می‌باشد .در ادامه به شرح دستور عمل‌های مربوط به پروتکل ارتباط سریال در آردوینو می‌پردازیم.

 

---

برنامه نویسی UART آردوینو

---

begin()

begin اولین تابع مورد نیاز برای برقراری ارتباط سریال می‌باشد.توسط این تابع نرخ (سرعت)انتقال دیتا که اصطلاحا به آن باد ریت می‌گویند  میان دستگاه ، ماژول و یا کامپیوتری که قصد برقرای ارتباط با آن را دارید مشخص می‌شود. سرعت های استاندار برای برقراری ارتباط سریال ۳۰۰, ۶۰۰, ۱۲۰۰, ۲۴۰۰, ۴۸۰۰, ۹۶۰۰, ۱۴۴۰۰, ۱۹۲۰۰, ۲۸۸۰۰, ۳۸۴۰۰, ۵۷۶۰۰ و ۱۱۵۲۰۰ می‌باشند.البته توجه داشته باشید که شما میتوانید از اعداد دیگری برای بادریت استفاده کنید ، برای مثال ممکن است با ماژولی کار کنید که آن ماژول دارای بادریت استاندار نباشد  و شما نیز باید از بادریتی که در دیتاشیت ماژل ذکر شده است استفاده کنید.

این تابع دارای دو ساختار به صورت زیر می‌باشد:

Serial.begin(speed);
Serial.begin(speed, config);

ساختار اول دارای یگ آرگمان ورودی می‌باشد که نرخ انتقال دیتا را مشخص می‌کند و بسیار ساده می‎‌باشد.

در مورد ساختار دوم ، آرگمان اول (speed) بادریت را مشخص می‌کند .

آرگمان دوم (config) مربوط به تنظیمات تعداد بیت داده، بیت توازن  و استاپ بیت (stop bit یا بیت پایانی ) می‌باشد.برای فهم بهتر مطلب به توضیح بیت توزان و stop bit می‌پردازیم:

• تعداد بیت داده چیست؟

هر وقت بخواهیم دیتایی از سمت فرستنده به گیرنده ارسال کنیم ، دیتای ما به بسته های  ۵ ، ۶ ، ۷ ، ۸ یا ۹ بیتی تقسیم میشود و سپس ارسال اطلاعات صورت می‌گیرد..در بیشتر کاربرد ها از داده ۸ بیتی استفاده می شود . در بیشتر طرح های ارتباط سریال ابتدا بیت کم ارزش ارسال می گردد .

• استارت بیت(start bit) جیست؟

هنگام ارسال اطلاعات  یک بیت ۰ برای آگاه سازی از ارسال بسته به گیرنده ارسال می‌شود که به آن استارت‌بیت  ( start bit) می‌گویند.

• stop bit چیست؟

همانطور که در بالا گفته شد برای ارسال دیتا ، دیتا را به بسته های   ۵ ، ۶ ، ۷ ، ۸ یا ۹ بیتی تقسیم بندی میکنیم.  حال برای اینکه گیرنده را آگاه سازیم که بسته‌ی داده‌ی ما به طور کامل ارسال شده است یک یا دو بیت درپایان دیتا ارسال می‌کنیم و گیرنده را از به پایان رسیدن بسته آگاه می‌سازیم.

• بیت توازن چیست؟

بیتی است که برای نشان دادن زوج یا فرد بودن تعداد بیت هایی که ۱ می باشند به بیت های داده اضافه می شود.در مفهومی بسیار ساده بیت توازن برای مشخص کردن خطای کد و از دست نرفتن داده به کار می‌رود.دو نوع بیت توازن داریم : ۱- توازن زوج ۲- توزان فرد

۱-توزان زوج : به بیانی بسیار ساده ، یعنی به کدمان نگاه میکنیم ، اگر تعداد ۱ ها فرد باشید یک عدد ۱ به کد اضافه میکنیم که تعداد ۱ ها زوج شود.

۲-توازن فرد:  یعنی به کدمان نگاه می‌کنیم، اگر تعداد ۱ ها زوج باشد ، یک عدد ۱ به کد اضافه می‌کنیم که تعداد ۱ ها فرد شود.

***برای مثال فرض کنید کد ما۱۰۰۱۰۱ باشد ، چون تعداد ۱ ها فرد می‌باشد ، یک عدد ۱ به کدمان اضافه می‌کنیم ، کد ۱۰۰۱۰۱۱ حاصل می‌شود.پس با این کار کدی که  ما به سمت گیرنده میفرستیم همیشه تعداد ۱ های آن زوج می‌باشد. حال اگر در طرف گیرنده تعداد ۱ ها فرد باشد ، متوجه می‌شویم که کد دچار خطا شده است.

هم  اکنون به توضیح آرگومان config می‌پردزایم.این آرگمان دارای مقدار پیش فرض SERIAL_8N1  می باشد .به آرگمان config نیز می‌توان مقادیر زیر را نسبت داد:

• SERIAL_5N1
• SERIAL_6N1
• SERIAL_7N1
• SERIAL_8N1   به صورت پیش فرض از این گزینه استفاده شده است
• SERIAL_5N2
• SERIAL_6N2
• SERIAL_7N2
• SERIAL_8N2
• SERIAL_5E1
• SERIAL_6E1
• SERIAL_7E1
• SERIAL_8E1
• SERIAL_5E2
• SERIAL_6E2
• SERIAL_7E2
• SERIAL_8E2
• SERIAL_5O1
• SERIAL_6O1
• SERIAL_7O1
• SERIAL_8O1
• SERIAL_5O2
• SERIAL_6O2
• SERIAL_7O2
• SERIAL_8O2

سوالی که حتما برای شما پیش می آید ، این است که این مقادیر به چه معنا هستند ؟! به عنوان نمونه به توضیح SERIAL_8N1 می‌پردازیم.

در مقدار های نسبت داده شده به config  ؛ O مخفف کلمه odd  به معنای بیت توازن زوج ، E مخفف کلمه ی Even به معنای بیت توزان فرد و N مخفف کلمه None به معنای عدم استفاده از بیت توازن می‌باشد. عدد۱ تعداد stop بیت می‌باشد و عدد ۸ تعداد بیت داده می‌باشد. مثال:فرض می‌کنیم از این کد قطعه کد برای تنظیم کردن پورت  سریال  استفاده کرده ایم و قصد داریم کاراکتر رشته OK را با استفاده از پورت سریال به کامپیوتر منتقل کنیم:

Serial.begin(9600 , SERIAL_8N1 );

 

این کد به این معناست که از بادریت ۹۶۰۰ و از مقدار SERIAL_8N1 به عنوان config   استفاده کرده ایم. به این علت که کاراکتر O و K هر کدام ۸ بیت و همچنین در کانفیگ از  SERIAL_8N1  که به معنای ۸ بیت داده ، بدون بیت توازن  و ۱ عدد stop bit می‌باشد ، باید در ۲ بسته اطلاعات را  ارسال کنیم . هم اکنون به شرح ارسال کاراکتر O می‌پردازیم. کاراکتر O دارای کد اسکی ۷۹  می باشد و در مبنای دو دارای مقدار ۰۱۰۰۱۱۱۱ می‌باشد. بنابراین نقشه ی ارسال کاراکتر O به صورت زیر می‌باشد.

 

 

end()

ارتباط سریال را قطع می‌کند و اجازه میدهد که پین هایی که بر روی حالت ارتباط سریال قرار داشتند ، بتوانند به صورت ورودی خروجی دیجیتال مورد استفاده قرار بگیرند .  این تابع دارای ساختار مانند قطعه کد زیر می‌باشد :

Serial.end();

برای راه اندازی مجدد می‌توان از تابع Begin استفاده نمود.

 

print()

این تابع دیتا را به پورت سریال ارسال می‌کند.تابع print دارای فرم های مختلفی می‌باشد.این تابع اعداد صحیح  ، متن ، کاراکتر را به صورت رشته اعداد اعشاری را به صورت رشته  با دو عدد اعشار ارسال می‌کند.به مثال زیر توجه کنید:

Serial.print( 78 );// gives "78"
Serial.print(1.23456);// gives "1.23"
Serial.print('N');// gives "N"
Serial.print("Hello world.");// gives "Hello world."

 

این تابع دارای دو ساختار به صورت زیر می‌باشد:

Serial.print( val);
Serial.print( val, format);

 

val : دیتایی می باشد که می‌خواهیم آن را به پروت سریال ارسال کنیم

format : فرمت نمایش و تعداد ممیز اعشار نمایش داده را مشخص می‌کند.

 

برای ارسال اطلاعات به فرمت باینری ( مبنای ۲ )  از BIN ، مبنای ۸ از OCT ، مبنای ۱۰ از DEC و مبنای ۱۶ از HEX  استفاده می‌کنیم. توجه شما را به مثال زیر جلب می‌کنم :

Serial.print(78, BIN); // gives "1001110"       مبنای ۲
Serial.print(78, OCT); // gives "116"           مبنای ۸
Serial.print(78, DEC); // gives "78"            مبنای ۱۰
Serial.print(78, HEX); // gives "4E"            مبنای ۱۶

 

همچنین می‌توان تعداد ممیز اعشار را توسط format تعیین نمود.برای این کار کافی است تنها تعداد اعشار مورد نیاز را به جای format قرار دهیم همانند مثال زیر:

Serial.print(1.23456, 0); // gives "1"
Serial.print(1.23456, 2); // gives "1.23"
Serial.print(1.23456, 4); // gives "1.2346"

 

println()

این تابع همانند تابع print عمل می‌کند با این تفاوت که با هر بار ارسال اطلاعات دستور رفتن به خط بعد را نیز اجرا می‌کند. به زبانی ساده تر دو نمونه کد زیر با هم یکسان می‌باشند:

 

Serial.print("");
  Serial.print('n');

 

Serial.println("");

 

available()

به وسیله‌ی این تابع تعداد کاراکتر هایی که آماده خواندن از پورت سریال می‌باشند مشخص می‌شود.همچنین این تابع این امکان را فراهم می‌کند که ۶۴ بایت در بافر دریافت کننده ی پورت سریال خیره شود. این تابع تعداد کاراکتر های موجود در بافر را بر می‌گرداند. ساختار کلی تابع به صورت زیر می‌باشد:

Serial.available();

 

به مثال زیر توجه کنید:

int incomingByte = 0;   // for incoming serial data

void setup() {
        Serial.begin(9600);     // opens serial port, sets data rate to 9600 bps
}

void loop() {

        // send data only when you receive data:
        if (Serial.available() > 0) {
                // read the incoming byte:
                incomingByte = Serial.read();

                // say what you got:
                Serial.print("I received: ");
                Serial.println(incomingByte, DEC);
        }
}

در این مثال اگر اطلاعاتی به پورت سریال فرستاده شد Serial.available مقدار true را برمی‌گرداند و برنامه وارد شرط شده و عملیاتی را انجام می‌دهد.برنامه همچنان ادامه پیدا می‌کند و اگر در بافر سریال اطلاعی برای خواندن وجود داشت ، دوباره برنامه وارد شرط می‌شود.توصیه می‌شود در برنامه نویسی حتما از این تابع استفاده کنید.