UART

Ein UART ist ein integrierter Schaltkreis, der parallele Daten (mehrere Bits, die gleichzeitig auf separaten Leitungen ankommen) in serielle Daten (Bits, die nacheinander auf einer einzelnen Leitung ankommen) umwandelt und umgekehrt. Diese Umwandlung ist notwendig, wenn ein Steuerungssystem, ein Sensor oder ein Messinstrument mit einem anderen Gerät über begrenzte Verdrahtung kommunizieren muss. In Kraftwerken, Umspannstationen und Fernüberwachungsanlagen übernehmen UARTs die Umsetzung zwischen der digitalen Logik in Mikrocontrollern und den seriellen Protokollen, die über RS-232-, RS-485- oder RS-422-Kabel übertragen werden.

Das Gerät funktioniert durch Laden eines Datenbytes in ein Schieberegister und anschließendes Ausgeben, ein Bit pro Taktzyklus, auf eine einzelne Ausgangsleitung. Der empfangende UART macht das Gegenteil: Er tastet die eingehende Leitung in regelmäßigen Abständen ab, rekonstruiert das ursprüngliche Byte und übergibt es an den angeschlossenen Mikroprozessor. Sender und Empfänger müssen sich auf die Baudrate (Bits pro Sekunde), die Anzahl der Datenbits, das Paritätsschema und die Stoppbits einigen, sonst entstehen Fehler. Übliche industrielle Raten sind 9600 und 19200 Baud; einige moderne Systeme arbeiten schneller.

Wo es in Industriesystemen eingebaut ist

UARTs kommen überall vor, wo ein Messinstrument eine einfache, kostengünstige Verbindung zu einem größeren Netzwerk oder einem Regler benötigt. Feldgeräte wie Drucktransmitter, Temperatursensoren und Leistungsmessgeräte haben oft einen UART am Rand ihrer Elektronik, um Messwerte an ein Datenerfassungssystem oder eine SPS zu senden. Fernvermittlungsstationen (RTUs) in Umspannstationen nutzen UARTs, um Daten von mehreren Sensoren auf eine einzelne Kommunikationsleitung zu multiplexen. Selbst moderne Ethernet-basierte Systeme haben oft eine UART-Schnittstelle nach RS-232 oder RS-485 Standard für Fehlerbehebung oder anfängliche Inbetriebnahme.

Häufige Ausfallarten sind Störungen auf langen Kabelstrecken, die einzelne Bits verfälschen; Baudrate-Nichtübereinstimmung, die unleserliche Zeichen erzeugt; und Potentialunterschiede zwischen Geräten, die zu Bitfehlern auf RS-232 führen (ein Single-Ended-Standard). RS-485 und RS-422 nutzen Differenzsignalisierung, um Gleichtaktstörungen besser zu unterdrücken und längere Kabelläufe zu tolerieren. Wenn Diagnosen sporadische Datenverluste oder wiederholte Wiederholungsanforderungen zeigen, ist oft ein UART-Hardwarefehler oder ein Signalintegritätsproblem die Ursache.

Der Name widerspiegelt die historische Rolle des Geräts: Es verwaltet asynchrone Kommunikation (keine gemeinsame Uhr zwischen Sender und Empfänger, nur Start- und Stoppbits zur Rahmung jedes Bytes) statt der synchronen Protokolle, die frühe Telegrafie und Vermittlungsnetze beherrschten. Heute sind UARTs in Embedded-Systemen allgegenwärtig, weil sie billig, einfach sind und minimale Verdrahtung erfordern; sie bleiben die standardmäßige serielle Schnittstelle an vielen Industrieinstrumenten trotz des Aufstiegs von Netzwerkprotokollen.