Unidad 01: Comunicaciones UART
CONTENIDO
PROTOCOLOS SERIE....................................................................................................................... 2
RS232......................................................................................................................................... 2
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS .............................................................................................. 2
RS485......................................................................................................................................... 3
CARACTERÍSTCAS ELÉCTRICAS ............................................................................................... 3
CABLES RS485 ........................................................................................................................ 3
COMPARACIÓN RS232 – RS485................................................................................................. 5
CAN ............................................................................................................................................ 5
CARACTERISTICAS PRINCIPALES ............................................................................................ 6
CONTROL DE ACCESO AL MEDIO........................................................................................... 7
CSMA/CD ............................................................................................................................... 8
UART EN SAM3X/A ........................................................................................................................ 9
UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTER (UART) .............................................. 9
UART y RS-232 ......................................................................................................................... 10
SEÑALES DE UN PERIFÉRICO UART.......................................................................................... 12
FORMATO DE TRAMA Y BAUDIOS ........................................................................................... 14
UART EN SAM3X ...................................................................................................................... 15
REFERENCIAS ............................................................................................................................... 17
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PROTOCOLOS SERIE
RS232
La comunicación serial mediante el estándar RS232 puede ser directa cuando se realiza sobre
banda base digital y/o mediante un modem cuando la transmisión se realiza en banda base
análoga modulando la portadora.
Cuando se transmite a través de un modem la norma define un conjunto de 22 señales
divididas en señal de datos y señal de control distribuidas en un conector de tipo D de 25
terminales, sin embargo, no todas las señales de control son imprescindibles para establecer la
comunicación entre dos equipos, es por eso que en muchas ocasiones se utiliza un conector
macho tipo D de 9 terminales.
La versión europea se regula bajo la norma CCITT V.24 y se especifica para una distancia
máxima del enlace de 15 m y una velocidad de transmisión de máximo 20 Kbps.
Algunos de los tipos de señales de la especificación RS-232 son los siguientes:
 Masa: GND para aislamiento del conector con enlace al chasis de la terminal; SG Señal
sobre la que se establece la tensión de las demás señales del conector.
 Canal Principal: Conjunto de señales de datos y control, TxD y RxD líneas de
transmisión y recepción respectivamente; RTS, CTS, DSR y DCD señales básicas, DTR y
RI señales conmutadas y SQ, CH y CI señales de calidad y canales.
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS
La norma define un margen de tensión de +3 V a +15 V para el “0” lógico y -3 V a -15 V para el
“1” lógico; por lo que, se hace necesario que tanto en la transmisión como en la recepción se
utilice un circuito de adaptación que transforme los niveles de tensión utilizados en los
circuitos digitales en los que se acaban de indicar y viceversa, ésta característica está descrita
en mayor detalle en la norma CCITT V.28 definida para las características eléctricas del
estándar RS-232C.
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RS485
Es una de las especificaciones de la norma RS449 publicada como estándar en 1983 en donde
se especifican las características eléctricas de un circuito de comunicación digital de salida ya
sea el estado “0” o “1” lógicos mediante una señal diferencial más una señal de alta
impedancia o “tercer estado” con lo cual es posible conectar más de un emisor en la red,
motivo por el cual, es muy útil en redes locales industriales a dos (2) hilos.
Actualmente conocido como la norma TIA-485-A.222 confirmada por la TIA
(Telecommunications Industry Association) en 2003.
El estándar define conexiones con cable de par de cobre trenzado y terminales RJ11/RJ45 por
lo cual existe mayor resistencia a la interferencia electromagnética y mayor velocidad de
transmisión que con la norma RS232.
CARACTERÍSTCAS ELÉCTRICAS
Permite la conexión de hasta 32 emisores con 32 receptores en transmisión doble simultánea
full dúplex capaz de enlazar procesadores de comunicación principal (master) con
procesadores subordinados (slaves) cuyo funcionamiento (acceso priorizado), está definido
por los mismos arreglos topológicos de las redes de datos.
Los dispositivos de la norma RS-485 mantienen compatibilidad con el estándar RS-232, donde,
se tiene un adaptador PCI Express de 16 puertos y alto rendimiento con enlaces para terminal
serial RS-232.
El alcance de la transmisión está dado por la relación existente entre el volumen de los datos a
transferir y el tiempo de la señal en la portadora determinado por la velocidad de
transferencia de donde se obtiene que la longitud máxima del cable es de 1.200 m y la
velocidad máxima de 10 Mbps que se obtiene en una distancia de 12 m.
Los niveles de tensión que corresponden al 1 y 0 lógico son los que surgen de la diferencia de
potencial entre los dos cables apareados
CABLES RS485
Esta es la imagen de alguno de los cables RS485 de tipo comercial
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COMPARACIÓN RS232 – RS485
CAN
CAN (Controller Area Network) es un protocolo abierto para uso automotriz y de alta
confiabilidad, apropiado para aplicaciones de tiempo real distribuidas, como una red de
dispositivos de vuelo.
El bus CAN (Controller Area Network), surge de la necesidad en los ochenta de encontrar
una forma de interconectar los distintos dispositivos de un automóvil de una manera
sencilla y reduciendo significativamente las conexiones. De esta forma, la empresa Robert
Bosch GmbH logra desarrollar el bus CAN, que posteriormente se estandariza en la norma
ISO 11898-1.
Dentro de la pila OSI, CAN bus cubre la capa de Enlace de datos y la Física. En concreto la
estandarización divide las diferentes capas. Por ejemplo, ISO 11898-1 cubre la capa de
enlace de datos, mientras que la física se divide en dos dependiendo de la velocidad: ISO
11898-2 para alta velocidad e ISO 11898-3 para baja velocidad.
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CARACTERISTICAS PRINCIPALES
Uno de los puntos fuertes de esta tecnología, y lo que la ha hecho perdurar en el tiempo a
pesar de la aparición de otros protocolos de comunicación con mayor velocidad o capaces de
transmitir a mayor distancia, son las garantías de comunicación que ofrece, las cuales son muy
importantes a la hora de desarrollar sistemas con características de tiempo real o de alta
integridad.
 Posee herramientas para la detección de errores en la transmisión, así como la
capacidad de retransmisión automática de las tramas erróneas.
 Capacidad de discernir entre errores puntuales en la transmisión, o errores producidos
por el fallo de un nodo, en cuyo caso, tiene la capacidad de desconectarlo para evitar
que el error sature la red.
 Priorización de mensajes y garantía en los tiempos de latencia en la entrega de los
mismos. Ésta es una de las características por las que este protocolo de
comunicaciones es ampliamente utilizado en el ámbito de los sistemas de tiempo real.
 Garantías en la consistencia de los datos.
 Flexibilidad en la configuración de la red, tanto en número de nodos, como en la
disposición de los mismos, pudiendo añadirse o quitarse nodos de forma dinámica sin
afectar al protocolo.
 Pueden conectarse hasta 110 nodos a una red CAN.
El protocolo CAN está especificado en el estándar ISO 11898[3], el cual contiene diversas
normas específicas para distintos aspectos del protocolo y diversos tipos de funcionamiento.
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Por ejemplo, la norma ISO 11898-2 estandariza el protocolo CAN de la alta velocidad, pudiendo
alcanzar velocidades de hasta 1 MB/s, o la norma ISO 11898-3, que estandariza el protocolo
CAN de baja velocidad tolerante a fallos.
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS
Posee una topología en forma de bus, en la que únicamente son necesarios dos cables
trenzados y con una impedancia de 120 ohms, para interconectar todos los dispositivos en una
misma red.
Las señales de estos cables se denominan CAN_H (CAN high) y CAN_L (CAN low) y
dependiendo de la tensión de las mismas, el bus puede encontrarse en modo recesivo, con
ambos cables con el mismo nivel de tensión, o en modo dominante, con una diferencia de
tensión entre los cables de al menos 1,5V.
Este modo de comunicación tiene como objetivo proporcionar una mayor protección frente a
interferencias electromagnéticas.
Esta protección viene dada, debido a que la lectura de los bits se basa en la diferencia de
voltaje entre los dos cables trenzados, por lo que en caso de verse sometidas a la misma
influencia electromagnética, a pesar de la variación señal en los cables, la diferencia de voltaje
entre ellos se mantiene constante.
CONTROL DE ACCESO AL MEDIO
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CSMA/CD
El protocolo CAN tiene otra característica denominada arbitraje, mediante la cual se controla
el acceso al medio por parte de los nodos y se evitan posibles colisiones en las
comunicaciones. Esta característica forma parte del control de acceso al medio implementado
por el protocolo CAN, CSMA/CD+CR (Carrier Sense, Multiple Access/Collision Detection +
Collision Resolution o Acceso Múltiple con detección de portadora, detección de colisión más
Resolución de colisión)
En el bus, los bits dominantes equivalen al nivel lógico "0", y los bits recesivos al valor lógico
"1".
Al inicio de las tramas enviadas por los nodos, se encuentra un campo dedicado
específicamente al arbitraje, que coincide con el identificador propio del nodo.
Antes de transmitir, los nodos deben vigilar el bus durante un período en el que no puede
haber actividad en él, tras esto, y cuando dos nodos tratan de transmitir de forma simultánea,
los bits dominantes prevalecen sobre los bits recesivos, por lo que el nodo que trata de
transmitir la trama con bits dominantes (número de identificación menor) es capaz de detectar
la colisión con los bits recesivos (número de identificación mayor).
Para que la detección de colisiones sea eficaz, los nodos deben tener una correcta
sincronización, manteniendo las frecuencias de reloj de los controladores CAN dentro de los
valores tolerados.
El nodo que detecta la colisión, deja de transmitir inmediatamente y espera hasta finalizar la
comunicación del otro nodo para intentarlo de nuevo.
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UART EN SAM3X/A
UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTER (UART)
Un periférico UART permite una comunicación serie asíncrona con otro dispositivo o un
ordenador a través de su puerto serie.
El procedimiento por el que un periférico UART transmite información digital es con mucho el
más longevo de los que veremos en esta unidad. El primer puerto UART apareció con el PDP-1, el
primer ordenador de Digital Equipment Corporation (DEC, más adelante Compaq, ahora HewlettPackard). Se lanzó al mercado en 1959 y estaba enfocado en la interacción con humanos a través
de consola de texto.
La razón del éxito de la comunicación UART está en permitir la transmisión asíncrona de bytes
entre dos dispositivos digitales con simplicidad y se ha utilizado extensamente como medio para
la interacción humana a través de terminales y consolas de texto en los ordenadores, por lo que,
aunque puede transmitir datos binarios arbitrarios, se utiliza normalmente para transmitir texto
codificado en ASCII.
Otro de los usos más importantes que tiene la comunicación UART es la de conectar el
microcontrolador con un módem para el envío de comandos AT.
En muchas aplicaciones es común encontrarse con periféricos de comunicación celular (GSM,
GPRS, UMTS o LTE) y otros dispositivos de comunicación como los procesadores de red XBee de
Digi. Todos ellos son ejemplos de periféricos que emplean comunicación UART para transmitir
comandos AT entre el microcontrolador y el módem.
Más allá de estas aplicaciones, existen numerosos equipos en la industria que manejan este tipo
de protocolo.
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UART y RS-232
El uso normal de un periférico UART consiste en comunicar un microcontrolador con un
periférico serie situado en la misma tarjeta.
Si lo que se pretende es comunicar al microcontrolador con un periférico externo a través de un
cable, se emplean estándares como RS-232, RS-485 y RS-422 que modifican las señales eléctricas
para que puedan propagarse correctamente por el cable, ya sea punto a punto (RS-232) o en bus
con más de un extremo (RS-422/RS-485). Es importante diferenciar UART de RS-232.
Cuando hablamos de UART estamos empleando señales digitales compatibles con el
microcontrolador o microprocesador en que se encuentra, normalmente 3.3V para un 1 lógico y
0V para un 0 lógico. RS-232 define un interfaz físico distinto, es decir, utiliza señales eléctricas
con tensiones muy diferentes. En RS-232 los dos estados lógicos se denominan marca y espacio.
Una marca está asociada a un 1 lógico en UART y un espacio está asociado a un 0 en UART. Los
estados lógicos que define RS-232 son una tensión de -3 V a -15V para una marca y una tensión
de +3V a +15V para un espacio. Luego RS-232 emplea señales bipolares (positivas y negativas).
Por esta razón, existen adaptadores de UART a RS-232, como los conocidos Maxim MAX232 que
hace la conversión de niveles entre un periférico UART y un puerto RS-232 en ambos sentidos,
Maxim MAX485, es el simil pero con protocolo RS485.
En la imagen se observa una placa en la cual ingresan/salen señales TTL y salen/ingresan señales
con niveles RS232
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En la imagen se observa una placa en la cual ingresan/salen señales TTL y salen/ingresan señales
con niveles USB, el cual es tomado como COM Virtual.
Conversor UART TTL-RS485
Conversor UART TTL-RS485 (ficha RJ45)
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Adaptadores niveles CAN
SEÑALES DE UN PERIFÉRICO UART
Un periférico UART consta habitualmente de dos señales, TXD para transmisión y RXD para
recepción. No obstante, existen un conjunto de señales adicionales relacionadas con un puerto
serie que pueden estar presentes y que son utilizadas para extender la funcionalidad y facilitar
la comunicación con el otro extremo. Las señales que pueden forman parte de un periférico
UART son las siguientes:
TXD y RXD: Las señales de transmisión de datos (salida del microcontrolador hacia el extremo)
y de recepción de datos (entrada en el microcontrolador desde el extremo).
RTS (Request To Send) y CTS (Clear To Send): Son opcionales, cuando están presentes y en uso
por ambos extremos sirven para realizar control de flujo. Son las señales empleadas cuando se
indica una conexión serie con control de flujo por hardware.
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El receptor indica al emisor que está preparado para recibir más datos activando RTS, el emisor
no envía información si no tiene activa la señal CTS.
El control de flujo se ejerce cuando el receptor retrasa la activación de su señal RTS (CTS en el
emisor) si no puede aceptar más datos (por saturación, por ejemplo).
Existe otro método de control de flujo muy usual, que se denomina XON/XOFF, que envía
caracteres ASCII especiales (XON: Transmission On y XOFF: Transmission ON) para realizar el
control de flujo a través de las señales TXD y RXD.
Además de las cuatro señales anteriores, existen otras señales relacionadas con los periféricos
UART que pueden estar presentes en algunas implementaciones o cuya funcionalidad se
puede implementar a través de entradas y salidas de propósito general.
Estas señales son:
DTR (Data Terminal Ready) y DSR (Data Set Ready): Son opcionales y sirven para un
establecimiento del enlace entre el periférico UART y el extremo, previo a la transmisión de
datos. El periférico UART indica al extremo mediante DTR que está activo y el extremo
responde activando DSR cuando su UART se ha activado (y por tanto puede responder a otras
señales). En la actualidad se emplea muy a menudo la señal DTR para gestionar el consumo, ya
que cuando el microcontrolador desactiva DTR muchos periféricos entran en modo de bajo
consumo.
DCD (Data Carrier Detect): Es una señal opcional empleada por un módem para indicar al
microcontrolador que la comunicación exterior (GSM, GPRS o de otro tipo) se ha establecido.
RI (Ring Indicator): Es una señal opcional que en sus orígenes se empleaba para notificar al
microcontrolador de la existencia de una llamada entrante.
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FORMATO DE TRAMA Y BAUDIOS
Los datos de un periférico UART se transmiten en tramas (figura Figura), cada trama consta de
un bit de comienzo (0), 8 ó 9 bits de datos (normalmente 8), un bit opcional de paridad
(opcional, no suele emplearse) y un bit de parada (1).
La configuración más habitual para una UART es utilizar el formato de trama 8N1 (8 bits de
datos, sin paridad, 1 bit de parada). La especificación de un puerto UART se completa
indicando la tasa de transferencia, en baudios.
Las tasas de transferencia más habituales son 9600 baudios y 115200 baudios. Debemos
comprobar los requisitos del periférico con el que nos queremos comunicar, determinar la tasa
de transferencia y el formato de trama que requiere y utilizar esos parámetros para configurar
el periférico UART correctamente.
Para poder establecer una comunicación entre dos dispositivos físicos, es necesario cruzar los
terminales, es decir:
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UART EN SAM3X
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Mg. Ing. Marcos Politi
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REFERENCIAS
 Ariel Lutenberg, Apuntes de Sistemas Embebidos, Conversores Analógicos Digitales,
2012.
 Carlos Canto Quintal, Convertidor Análogo Digital.
 Huircán, Juan Ignacio, Conversores Análogo-Digital y Digital-Análogo, Conceptos Básicos.
 Universidad Libre España, Protocolos de Comunicaciones.
 TFM Adrian Martinez Requena, Universidad Politécnica de Madrid.
 TFG Alejandro Garcia Osés, Universidad Pública de Navarra.
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