Giao thức truyền thông là ngôn ngữ giao tiếp giữa các thiết bị. Hiện nay, các chuẩn giao tiếp truyền thông được tạo ra nhiều vô số kể, trong đó - đơn giản và dễ hiểu nhất, phải kể đến giao tiếp UART. Vậy UART là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng UART ra sao? Cùng Sensors Việt Nam tìm hiểu chi tiết ngay trong bài viết sau đây nhé!
UART LÀ GÌ?
UART (bộ thu/phát không đồng bộ đa năng) là một trong những giao thức truyền thông đơn giản nhất hiện nay, quy định cách trao đổi dữ liệu nối tiếp giữa hai thiết bị trong một hệ thống. UART được thiết kế để có thể vừa gửi vừa nhận dữ liệu.
Giao tiếp UART sử dụng hai dây dẫn để kết nối và giao tiếp giữa hai thiết bị. Trong đó, dây phát (TX) trên thiết bị 1 → kết nối với dây nhận (RX) của thiết bị 2. Còn dây phát (TX) trên thiết bị 2 → kết nối với dây nhận (RX) của thiết bị 1. Dây nối đất (GND) có nhiệm vụ giữ cho cả hai thiết bị ở cùng một điện áp tham chiếu.
Giao thức truyền thông UART có 3 chế độ hoạt động, gồm: đơn công, bán song công và song công toàn phần. Ở chế độ đơn công, dữ liệu được gửi theo một chiều. Ở chế độ bán song công, mỗi thiết bị đều có thể gửi dữ liệu - nhưng chỉ được gửi một dữ liệu tại một thời điểm nhất định. Ở chế độ song công toàn phần, cả hai thiết bị có thể gửi dữ liệu đồng thời.
ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA UART
Giao thức truyền thông UART được đánh giá cao vì nó rất đơn giản, có lợi thế cao khi sử dụng cho các dự án nhỏ - chỉ có hai thiết bị giao tiếp với nhau.
Ưu điểm của giao tiếp UART
Chỉ sử dụng hai dây tín hiệu đơn giản
Tín hiệu xung nhịp không cần thiết
Cho phép kiểm tra lỗi
Chi phí thấp hơn và kích thước nhỏ hơn so với các phương thức giao tiếp khác
Hỗ trợ khoảng cách truyền tín hiệu ~15 mét.
Nhược điểm của giao tiếp UART
Khung dữ liệu giới hạn ở mức 9 bit
Không hỗ trợ giao tiếp giữa nhiều bộ điều khiển và thiết bị ngoại vi
Không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao
Tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn so với các phương thức giao tiếp song song.
UART CÓ TRUYỀN DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG KHÔNG?
Có, UART hoàn toàn có khả năng truyền dữ liệu đo lường. Tuy nhiên nó sẽ không đơn thuần là truyền trực tiếp như các giao thức phổ biến mà chúng ta đã từng biết.
Nhiều dòng cảm biến và module GPS được tích hợp ngõ ra UART để gửi số liệu về vi điều khiển/PLC. Trong đó, UART chỉ vận chuyển các byte dữ liệu, còn ý nghĩa của các byte đó sẽ do nhà sản xuất cảm biến định nghĩa.
Điều kiện để giao thức UART truyền dữ liệu ổn định là: hai thiết bị giao tiếp có cùng baud rate, đấu dây đúng TX-RX và GND, khoảng cách truyền ngắn, môi trường ít nhiễu.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG UART
Giao tiếp UART được thực hiện theo các khung (frame). Mỗi khung được tạo thành từ các bit (mẩu thông tin được gửi tuần tự qua một đường truyền). Các bit này lần lượt là: bit bắt đầu, 5-9 bit dữ liệu, 1 bit chẵn lẻ (tùy chọn) và 1-2 bit dừng. Mỗi bit có thể có điện áp cao (tương ứng logic 1) hoặc điện áp thấp (tương ứng logic 0). Ở trạng thái nghỉ (không có dữ liệu nào được gửi/nhận) sẽ là điện áp cao.
Cấu hình thường gặp nhất là 9600 8N1: 9600 baud, 8 bit dữ liệu, không parity, 1 stop bit.
Nguyên lý hoạt động UART có thể hình dung đơn giản như sau: Thiết bị A → TX → RX → Thiết bị B
Khác với một số giao thức truyền thông khác (Modbus RTU, BACnet MS/TP), UART không có khái niệm bộ điều khiển và thiết bị ngoại vi. Giao tiếp UART là lựa chọn mặc định khi chỉ cần hai thiết bị giao tiếp với nhau.
SO SÁNH UART VỚI CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG PHỔ BIẾN KHÁC
Để có cái nhìn rõ ràng hơn về UART, chúng ta sẽ so sánh UART với I2C, SPI, RS232 và RS485:
| Tiêu chí | UART | RS232 | RS485 | I2C | SPI |
| Bản chất | Khối logic, khung dữ liệu nối tiếp không đồng bộ | Chuẩn điện, truyền dữ liệu bằng mức một đầu | Chuẩn điện, truyền dữ liệu bằng tín hiệu vi sai | Bus nối tiếp đồng bộ, 2 dây | Bus nối tiếp đồng bộ, nhiều dây |
| Số dây tín hiệu tối thiểu | 2 | 2 | 2 | 2 | 4 |
| Đồng bộ hay không? | Không | Không | Không | Có | Có |
| Tốc độ truyền điển hình | 9600 - 115200 bps | 9600 bps, 19200 bps, 38400 bps, 57600 bps | 9600 - 115200 bps | 100 kHz - 3,4 MHz | Vài Mbps đến hàng chục Mbps |
| Khoảng cách phù hợp | Rất ngắn | ~15 m | Rất xa | Ngắn | Ngắn |
| Số thiết bị trên một bus | 2 | 1 master - 1 slave | Đến 32 unit loads | Nhiều slave trên cùng bus | Mỗi slave đi một dây riêng |
| Chống nhiễu | Thấp | Trung bình | Cao | Thấp | Thấp |
| Ứng dụng phổ biến | Cảm biến khí, bụi, GPS, module Bluetooth/Wi‑Fi, console debug | Cổng COM máy tính, thiết bị cũ, cấu hình thiết bị | Cảm biến công nghiệp, PLC, hệ thống giám sát qua Modbus RTU | Cảm biến nhiệt, EEPROM, RTC trên cùng board | Màn hình, thẻ nhớ, ADC tốc độ cao trên cùng board |
| Độ phức tạp phần cứng | Thấp | Thấp | Trung bình | Thấp | Trung bình |
UART TRONG CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP
UART trong cảm biến công nghiệp không còn quá xa lạ, giao tiếp này có thể xuất hiện ở lớp kết nối giữa các linh kiện điện tử hoặc giữa một cảm biến và một module điều khiển.
Một cảm biến công nghiệp thu thập thông tin → ADC/mạch xử lý chuyển đổi tín hiệu → MCU xử lý dữ liệu → gửi kết quả qua UART → Thiết bị nhận.
Nhờ giao thức truyền thông UART mà các cảm biến công nghiệp/thiết bị đo lường có khả năng trao đổi dữ liệu số với vi điều khiển/bộ xử lý/module giao tiếp khác.
ỨNG DỤNG UART
Giao thức/giao tiếp UART hiện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực - điển hình có thể kể đến như:
- Giao tiếp giữa các vi điều khiển: UART cho phép các vi điều khiển trao đổi dữ liệu với các thiết bị ngoại vi, tạo điều kiện tích hợp và điều khiển liền mạch trong các ứng dụng robot và tự động hóa công nghiệp.
- Các mô-đun truyền thông không dây: nhiều mô-đun truyền thông không dây sử dụng UART để liên lạc.
- Mô-đun GPS: Giao tiếp UART tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp giữa vi điều khiển và mô-đun GPS, cho phép các thiết bị nhận được dữ liệu vị trí một cách chính xác.
- Giao tiếp Bluetooth: Giao thức UART cho phép giao tiếp giữa vi điều khiển và các mô-đun Bluetooth, tạo điều kiện kết nối không dây tiện lợi cho các thiết bị đeo thông minh, thiết bị y tế và hệ thống nhà thông minh.
- Lập trình vi điều khiển: UART đóng vai trò là giao diện lập trình, cho phép các nhà phát triển tải lên phần mềm hoặc mã gỡ lỗi trên vi điều khiển;
- Tự động hóa công nghiệp: UART tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giao tiếp giữa bộ điều khiển trung tâm và các thành phần công nghiệp khác - cho phép giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu theo thời gian thực.
- Công nghệ đo lường thông minh: Giao thức UART được sử dụng trong các công nghệ đo lường thông minh để giao tiếp với bộ vi điều khiển, thu thập và truyền tải dữ liệu tiêu thụ.
- Giao diện người-máy (HMI): UART kết nối vi điều khiển với các thiết bị hiển thị/màn hình cảm ứng, triển khai giao diện người dùng.
- Điện tử ô tô: UART được sử dụng trong điện tử ô tô để giao tiếp giữa các vi điều khiển, cảm biến và hệ thống giải trí.
- Giao tiếp nối tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi: UART ứng dụng trong các cổng nối tiếp, cho phép giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi, thuận lợi cho quá trình truyền dữ liệu và điều khiển thiết bị.
UART hiện là một trong những giao thức truyền thông đáng tin cậy và đơn giản nhất, nó mang lại sự cân bằng giữa tính đơn giản và hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Mọi thắc mắc về giao thức UART, bạn có thể liên hệ trực tiếp đến Sensors Việt Nam theo hotline 0911 660 660 hoặc truy cập website https://cambien.com.vn/ | https://www.sensors.vn/ để được hỗ trợ trực tiếp bởi các chuyên viên giàu kinh nghiệm của chúng tôi!