الاتصال التسلسلي UART

8.1 لماذا تسلسلي؟ ولماذا بلا ساعة؟ – פרוטוקול וסנכרון (Serial and Asynchronous)

لنقل بايت واحد بالتوازي نحتاج إلى ثمانية أسلاك. أما الاتصال التسلسلي (תקשורת טורית) فيرسل البتّات واحدا بعد الآخر على سلك واحد. الزمن أطول قليلا، وعدد الأسلاك أقل كثيرا، والكابل يمكن أن يطول.

الكلمة المهمّة في الاسم هي غير متزامن (אסינכרוני): لا يوجد سلك ساعة بين الطرفين. لكل طرف ساعته، ويتفقان مسبقا على معدّل الإرسال (קצב שידור, Baud)، أي عدد البتّات في الثانية. والمستقبل يضبط توقيته من جديد عند بداية كل بايت. ولأن لكل اتجاه سلكا خاصا، يمكن للطرفين أن يرسلا في الوقت نفسه، وهذا ما نسمّيه ثنائي الاتجاه الكامل (דו-כיווני מלא).

8.2 الإطار وزمن البايت – מסגרת וזמן בית (The Frame)

الخط الساكن مرتفع. كي يعرف المستقبل أن بايتا بدأ، يخفض المرسل الخط لمدة بتّ واحد: هذا بتّ البداية (סיבית התחלה). بعده تأتي بتّات البيانات، الأقل وزنا أولا، ثم بتّ التوقف (סיבית עצירה) المرتفع. هذا كله هو الإطار (מסגרת). والرسم يبيّن البايت 0x41، أي الحرف A.

الشكل الشائع يُكتب 8N1: ثمانية بتّات بيانات، بلا تماثل، وبتّ توقف واحد. فالبايت يكلّف 10 بتّات على الخط وليس 8.

كيف ينجو الاتصال بلا ساعة مشتركة؟ يبدأ المستقبل العدّ عند هبوط بتّ البداية، ويقرأ كل بتّ من منتصفه. آخر قراءة في الإطار تقع بعد 9.5 بتّ من البداية، ويُسمح بأن ينحرف التوقيت نصف بتّ قبل أن تقع القراءة في البتّ الخطأ. فأكبر فرق نظري بين الساعتين هو 5.3 في المئة. وهذا حدّ نظري، والهامش الفعلي أصغر منه، لكنه يفسّر لماذا تكفي ساعة ليست دقيقة جدا، ولماذا لا يصلح الإطار الطويل بلا بتّ بداية جديد.

بتّ التماثل (סיבית זוגיות) اختياري، يُضاف بعد البيانات ليكشف خطأ في بتّ واحد. في التماثل الزوجي يكون مجموع الوحدات، مع بتّ التماثل، عددا زوجيا: البايت 0x41 فيه وحدتان، فبتّ التماثل 0. والبايت 0x43 فيه ثلاث وحدات، فبتّ التماثل 1. ونطلبه في مايكروبايثون عبر uart.init(9600, parity=0) للزوجي، أو parity=1 للفردي.

8.3 التوصيل: التقاطع والأرضي – חיבור בין שני בקרים (Wiring)

الإرسال عند طرف يدخل إلى الاستقبال عند الطرف الآخر. والسلك الثالث هو الأرضي: الجهد يُقاس بالنسبة إلى مرجع، وبلا مرجع مشترك لا يعني 3.3 V شيئا عند الطرف الآخر.

والمسافة؟ جهود المتحكّم ضعيفة أمام الضجيج، ولذلك نبقى في حدود المنضدة نفسها وأسلاك قصيرة، وكلما ارتفع المعدّل قصرت المسافة الممكنة. وللمسافات الأطول نحوّل الجهود إلى معيار آخر، كما نرى في القسم 8.7.

8.4 أوامر UART في مايكروبايثون – פקודות UART

# board.py - ESP32 DevKit
from machine import ADC, I2C, PWM, SPI, UART, Pin, Timer

TX = 17
RX = 16


def uart(baudrate=9600):
    return UART(2, baudrate, tx=Pin(TX), rx=Pin(RX))

يذكر توثيق مايكروبايثون أن الطرفين الافتراضيين 17 و16 قد يكونان مشغولين في بعض اللوحات، لأنهما يتعارضان مع ذاكرة PSRAM المركّبة عليها. فعلى لوحة كهذه نغيّر رقمي الطرفين في board.py وحده، ولا يتغيّر سطر في أي برنامج. وهذا بالضبط سبب وجود الملف. نختار للاستقبال طرفا مثل 36، وهو مدخل فقط، وللإرسال طرفا غير مستعمل في المشروع. والمقطع التالي لا يشغَّل في بناء الكتاب:

TX = 25
RX = 36

قبل أن نوصل أي جهاز، نجرّب الوحدة وحدها: نوصل TX بـRX في اللوحة نفسها بسلك واحد. فكل ما نرسله يعود إلينا. هذا الفحص يفصل مشكلة الشيفرة عن مشكلة الجهاز الآخر.

import board
import time

uart = board.uart(9600)
print("sent:", uart.write(b"hello\n"))
time.sleep(0.1)
print("waiting:", uart.any())
print("received:", uart.read())
print("empty:", uart.read())

sent: 6
waiting: 6
received: b'hello\n'
empty: None

8.5 الأسطر تصل قطعا – קליטת שורות (Receiving Lines)

المتحكّم أسرع من الخط كثيرا. فحين نقرأ قد نجد نصف جملة، والباقي ما زال في الطريق. وإذا لم يصل شيء يعيد read() القيمة None، ولذلك نفحصها قبل أي عملية. والحل أن نجمع ما يصل في مخزن (חוצץ)، ونأخذ منه سطرا كلما ظهرت فيه علامة نهاية السطر.

import board
import time

uart = board.uart(9600)
buf = b""

while True:
    data = uart.read()
    if data:
        buf += data
        print("buffer:", buf)
        while b"\n" in buf:
            line, buf = buf.split(b"\n", 1)
            print("line:", line.decode())
    time.sleep(0.05)

buffer: b'TEM'
buffer: b'TEMP 24\nHU'
line: TEMP 24
buffer: b'HUM 60\n'
line: HUM 60
...

8.6 لوحتان تتحادثان: بروتوكول نصّي – פרוטוקול טקסט פשוט (A Text Protocol)

البروتوكول (פרוטוקול) هو اتفاق على شكل الرسائل. أبسط اتفاق: كل رسالة سطر نصّي. سهل قراءته بالعين، وسهل تجربته من الحاسوب. هذه لوحة تنفّذ أمرين وتردّ على كل سطر:

from machine import Pin
import board
import time

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
uart = board.uart(9600)
buf = b""


def handle(line):
    if line == b"ON":
        led.on()
        return b"OK ON\n"
    if line == b"OFF":
        led.off()
        return b"OK OFF\n"
    return b"ERR\n"


while True:
    data = uart.read()
    if data:
        buf += data
        while b"\n" in buf:
            line, buf = buf.split(b"\n", 1)
            answer = handle(line.strip())
            uart.write(answer)
            print(line, "->", answer, "LED =", led.value())
    time.sleep(0.01)

b'ON' -> b'OK ON\n' LED = 1
b'BLINK' -> b'ERR\n' LED = 1
b'OFF\r' -> b'OK OFF\n' LED = 0
[uart_tx]
b'OK ON\n'
b'ERR\n'
b'OK OFF\n'
...

انتبهوا إلى line.strip(): بعض برامج الحاسوب تنهي السطر بالبايتين \r\n، ودونه لا يطابق b"OFF".

ماذا لو تلف بتّ في الطريق؟ يصير ON شيئا آخر، وقد نحصل على أمر صحيح آخر بالصدفة. فنضيف إلى كل سطر مجموع فحص (סכום ביקורת): عددا يحسبه المرسل من النص، ويحسبه المستقبل من جديد ويقارن. ونأخذ أبسط حساب، وهو XOR لكل الأحرف. يكفي هذا لكشف أي خطأ في بتّ واحد، ونكتبه في مكتبة صغيرة يستعملها الطرفان:

# textlink.py - one line of text with a check, for example "LED,1*5A\n".
# The two hex digits are the XOR of all the characters before the star.
# (c) 2026 Fahed Ghanem - MIT License - fahed-lab.com


def checksum(text):
    total = 0
    for ch in text:
        total ^= ord(ch)
    return total


def pack(text):
    return ("%s*%02X\n" % (text, checksum(text))).encode()


def unpack(line):
    try:
        text, check = line.decode().strip().split("*")
        if int(check, 16) == checksum(text):
            return text
    except ValueError:
        pass
    return None

from machine import Pin
from textlink import pack, unpack
import board
import time

led = Pin(board.LED, Pin.OUT)
uart = board.uart(9600)
buf = b""

while True:
    data = uart.read()
    if data:
        buf += data
        while b"\n" in buf:
            line, buf = buf.split(b"\n", 1)
            text = unpack(line)
            if text == "LED,1":
                led.on()
            elif text == "LED,0":
                led.off()
            uart.write(pack("ACK" if text else "NAK"))
            print(line, "->", text, "LED =", led.value())
    time.sleep(0.01)

b'LED,1*50' -> LED,1 LED = 1
b'LED,0*00' -> None LED = 1
b'garbage' -> None LED = 1
b'LED,0*51' -> LED,0 LED = 0
[uart_tx]
b'ACK*49\n'
b'NAK*44\n'
b'NAK*44\n'
b'ACK*49\n'
...

والجانب المرسل يجب ألا ينتظر إلى الأبد، فالطرف الآخر قد يكون مطفأ. نعطيه مهلة (פסק זמן) بالطريقة غير الحاجبة التي تعلّمناها في الفصل 4:

from textlink import pack, unpack
import board
import time

uart = board.uart(9600)


def ask(text, timeout_ms=500):
    uart.write(pack(text))
    start = time.ticks_ms()
    buf = b""
    while time.ticks_diff(time.ticks_ms(), start) < timeout_ms:
        data = uart.read()
        if data:
            buf += data
            if b"\n" in buf:
                return unpack(buf.split(b"\n", 1)[0])
        time.sleep_ms(10)
    return None


for command in ("LED,1", "LED,0", "LED,1"):
    print(command, "->", ask(command))
    time.sleep(1)

LED,1 -> ACK
LED,0 -> None
LED,1 -> None

8.7 معيار RS-232 ومحوّل المستويات – תקן RS-232 (RS-232)

المنفذ التسلسلي في أجهزة صناعية كثيرة يتبع معيار RS-232. الإطار هو نفسه تماما، لكن الجهود مختلفة: مجال واسع موجب وسالب، والمنطق مقلوب. فالجهد السالب هو 1 والموجب هو 0. والجهد الكبير يقاوم الضجيج ويسمح بكابل طوله عدة أمتار.

8.8 وحدة بلوتوث هي UART من جهة الشيفرة – מודול Bluetooth קלאסי (Classic Bluetooth Modules)

الوحدتان HC-05 وHC-06 تنفّذان بلوتوث الكلاسيكي داخلهما، وتظهران للمتحكّم كجهاز UART عادي: ما يصل من الهاتف يخرج على طرف TX في الوحدة. فالبرنامج uart_cmd.py نفسه يصبح تحكّما من الهاتف دون تغيير سطر، والفرق كله في السلك. ونحتاج إلى هذه الوحدة لأن وحدة bluetooth في مايكروبايثون تدعم البلوتوث منخفض الطاقة، وهو موضوع الفصل 17، وليس الكلاسيكي.

المعدّل الافتراضي في أغلب هذه الوحدات هو 9600، ورمز الاقتران الشائع 1234. هذه قيم مصنع نموذجية، ونتحقّق منها في ورقة بيانات الوحدة التي بأيدينا. والفرق بينهما: HC-06 تابع فقط، أما HC-05 فيمكن ضبطها لتبدأ الاتصال بنفسها.

8.9 على Raspberry Pi 4/5 – ב-Raspberry Pi

على الباي لا توجد machine، بل المنفذ ملف في النظام، ونفتحه بالمكتبة pyserial التي تثبّت بالأمر pip install pyserial. ونفعّل المنفذ أولا من sudo raspi-config (قسم Interface Options). اسم المنفذ قد يختلف بين الطرازات، فنراجع توثيق Raspberry Pi. ومن جهة الأسلاك جهود الباي أيضا 3.3 V. والمقطع التالي لم يشغَّل في بناء الكتاب:

import serial

port = serial.Serial("/dev/serial0", 9600, timeout=1)
port.write(b"ON\n")
print(port.readline())
port.close()

أهمّ أفكار الفصل:

• الإطار يبدأ بهبوط الخط، وهذا الهبوط هو ما يزامن المستقبل: لا سلك ساعة.
• البايت يكلّف 10 بتّات في 8N1، فبمعدّل 9600 نرسل 960 بايتا في الثانية.
• TX إلى RX، وأرضي مشترك دائما. ونبدأ بفحص الحلقة.
• الأسطر تصل قطعا، فنجمعها في مخزن ولا نفترض أن قراءة واحدة تكفي.
• نضيف إلى البروتوكول مجموع فحص ومهلة انتظار، فإطار سليم لا يعني رسالة سليمة، والصمت أيضا جواب.
• RS-232 جهوده خطيرة على الطرف، وبينهما شريحة تحويل مستويات.

ملخّص قوانين الفصل:

أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

أسئلة للتمرين:

import board
import time

uart = board.uart(9600)
buf = b""
total = 0

while True:
    data = uart.read()
    if data:
        buf += data
        while b"\n" in buf:
            line, buf = buf.split(b"\n", 1)
            total += int(line)
            print("sum =", total)
    time.sleep(0.01)

def ask_retry(text, tries=3):
    for i in range(tries):
        answer = ask(text)
        if answer == "ACK":
            return True
        print("try", i + 1, "failed")
    return False