UART-Schnittstelle¶

UART ist eine einfache serielle Datentransmissionsschnittstelle zwischen zwei Geräten. Erweiterung: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter.

In praktischen Projekten hörst du normalerweise „UART", „seriell", „TX/RX" oder „UART-Port". Der Schlüsselpunkt für Anfänger ist: UART überträgt Daten auf der TX-Leitung, empfängt auf der RX-Leitung, und beide Geräte benötigen eine gemeinsame GND für den ordnungsgemäßen Betrieb.

Wo UART verwendet wird¶

UART findet sich fast überall:

Debug-Logs von Mikrocontrollern;
Flashing von Boards über USB-UART-Adapter;
Host-zu-MCU-Kommunikation in einigen Klipper-Szenarien;
GPS-, RFID-, Fingerabdruck- und Sensormodule;
TMC-Schrittmotor-Treiberkonfiguration;
Kommunikation zwischen zwei Mikrocontrollern;
Service-Port auf dem Board.

UART ist praktisch, da es wenige Drähte benötigt und gut für einfachen Text-, Befehls- und Diagnosefunk funktioniert.

TX, RX und GND¶

Minimale Verbindung:

TX - Übertragung;
RX - Empfang;
GND - gemeinsame Masse.

TX eines Geräts wird mit RX des anderen verbunden:

Kreuzweise verbundene TX/RX und gemeinsame GND in UART-Verbindung

Quelle: SparkFun Electronics, CC BY-SA 4.0

Regel:

Device A TX -> Device B RX
Device A RX <- Device B TX
Device A GND -> Device B GND

Der häufigste Fehler ist die Verbindung von TX mit TX und RX mit RX. Manchmal sind die Markierungen des Moduls verwirrend. Wenn also keine Verbindung hergestellt wird, überprüfe zunächst den Pinout und die Dokumentation, anstatt alle Drähte zufällig zu wechseln.

UART, USB und USB-UART¶

UART ist nicht USB.

Ein Computer hat normalerweise keine bloßen UART-Pins. Deshalb wird ein USB-UART-Adapter benötigt: Er verbindet sich auf der einen Seite mit dem USB des Computers und stellt auf der anderen Seite TX-, RX-, GND- und manchmal VCC-, DTR-, CTS-Leitungen bereit.

Beispiele:

Computer liest Logs von einem Board über USB-UART;
USB-UART flasht ein Board ohne eingebautes USB;
Host verbindet sich mit MCU über seriell;
Adapter hilft, ein Board nach fehlgeschlagenem Flashing wiederherzustellen.

Verwirre einen USB-Anschluss auf einem Board nicht mit UART-Pins auf dem Header. Bei einigen Boards ist USB bereits mit einem integrierten USB-UART-Chip verbunden, während bei anderen USB direkt zum Mikrocontroller geht.

Logikpegel: 3.3V, 5V, RS-232¶

UART beschreibt die Datentransmissionsmethode, garantiert aber keine sicheren Spannungspegel.

In der DIY-Elektronik ist TTL/CMOS UART am häufigsten:

3.3V UART - ESP32, RP2040, STM32 und viele moderne Boards;
5V UART - Arduino Uno/Nano und einige ältere Module.

Das Anlegen eines 5V-Signals an einen 3.3V-Mikrocontroller-Eingang kann das Board beschädigen. Für inkompatible Pegel ist ein Spannungswandler oder eine andere Anpassungsschaltung erforderlich.

Es gibt auch RS-232, das separat ist. Dies ist nicht einfach „UART auf einem DB9-Stecker". RS-232 hat unterschiedliche Spannungspegel und unterschiedliche elektrische Logik. Du kannst einen echten RS-232-Port nicht direkt mit einem Mikrocontroller GPIO verbinden. Ein Spannungswandler ist erforderlich, z. B. eine MAX232-ähnliche Schaltung oder einen fertigen Adapter.

Geschwindigkeit und Format¶

UART-Geschwindigkeit muss übereinstimmen. Häufige Werte:

Wenn die Geschwindigkeit nicht übereinstimmt, zeigt das Terminal Müll oder Stille an.

Es gibt auch Transmissionsformat. 8N1 wird häufig verwendet:

8 - 8 Datenbits;
N - keine Parität;
1 - ein Stoppbit.

Für die meisten einfachen Aufgaben reicht es aus, die gleiche Geschwindigkeit und das Standard-Format 8N1 einzustellen, es sei denn, die Moduldokumentation schreibt etwas anderes vor.

UART in 3D-Druckern¶

In 3D-Druckern erfüllt UART oft drei verschiedene Rollen.

Host- und Board-Kommunikation

Einige Boards können über seriell/UART mit dem Host kommunizieren. In Klipper wird dies im Abschnitt [mcu] über serial beschrieben.

TMC-Treiberkonfiguration

Einige Schrittmotortreiber verwenden UART zum Konfigurieren von Strom, stealthChop/spreadCycle, Diagnose und Statusabfrage. Der Motor selbst wird normalerweise nicht von UART, sondern von STEP- und DIR-Signalen gesteuert.

Debug und Flashing

UART kann für Logs, Bootloader-Modus und Board-Recovery über USB-UART-Adapter verwendet werden.

Ein UART - normalerweise zwei aktive Geräte¶

Klassisches UART ist eine Verbindung zwischen zwei Geräten. Du kannst nicht blind mehrere Sender mit einer RX-Leitung verbinden.

Probleme:

zwei Geräte ziehen gleichzeitig die TX-Leitung;
Daten vermischen sich;
ein Modul empfängt Befehle, die für ein anderes bestimmt sind;
möglicher elektrischer Konflikt.

Manchmal kann eine TX von mehreren Empfängern gehört werden, aber dies ist eine bewusste Entscheidung und nicht als universelle Regel geeignet. Für Anfänger ist es sicherer anzunehmen: Ein UART-Port - Ein Gerätepaar.

Was vor dem Anschließen zu prüfen ist¶

Vor dem Anschließen von UART prüfe:

wo sind TX und RX;
ist eine gemeinsame GND erforderlich;
Logikpegel: 3.3V oder 5V;
ist dies TTL UART oder RS-232;
Übertragungsgeschwindigkeit;
Format, falls angegeben;
ist dieses UART nicht von USB-Logs oder Flashing besetzt;
gibt es einen anderen Sender, der mit dieser Leitung verbunden ist;
müssen Power oder nur TX/RX/GND verbunden werden.

Stromversorgung vom USB-UART-Adapter wird nur verbunden, wenn klar ist, dass das Board von ihm mit Strom versorgt werden soll. Oft werden für Diagnosen nur TX, RX und GND benötigt.

Typische Fehler¶

Verbindung von TX mit TX, RX mit RX;
Vergessen der gemeinsamen GND;
Anlegen von 5V UART an einen 3.3V-Eingang;
Verwechselung von TTL UART und RS-232;
Auswahl der falschen Baudrate;
Stromversorgung von einem USB-UART-Adapter mit einem bereits angetriebenen Board verbinden;
Verwendung von UART-Pins, die von USB-Logs oder Bootloader besetzt sind;
Verbindung mehrerer Sender mit einer Leitung;
Denken, UART kann eine starke Last direkt antreiben.

Wichtigste Erkenntnisse¶

UART ist eine einfache Schnittstelle für den Datenaustausch zwischen zwei Geräten. Du benötigst kreuzweise verbundene TX/RX, gemeinsame GND, übereinstimmende Geschwindigkeit und kompatible Logikpegel.

UART ist keine Stromversorgung und funktioniert nicht als Stromausgabe. Es überträgt Daten, nicht zum Drehen von Motoren oder zum direkten Aktivieren von Heizgeräten.