UART-Protokoll in Embedded-Systemen: Überblick und Integration mit Qt

Zuverlässige Kommunikation zwischen Geräten ist das Herzstück jedes gut konzipierten Embedded-Systems. Ob Sie ein Sensor-Gateway entwickeln, industrielle Hardware konfigurieren oder ein sicherheitskritisches medizinisches Gerät debuggen – ein robustes und vorhersehbares Hardware-Kommunikationsprotokoll ist unerlässlich.

UART ist nach wie vor eines der am weitesten verbreiteten seriellen Kommunikationsprotokolle in Embedded-Systemen – nicht, weil es das neueste ist, sondern weil es einfach, effizient und nahezu auf allen Hardwareplattformen gut unterstützt ist. Tatsächlich gilt es als eines der ältesten seriellen Protokolle, die heute noch regelmäßig verwendet werden.

In diesem Artikel betrachten wir:

 

• was UART ist und wie es funktioniert,
• die praktischen Vorteile (und Einschränkungen) der Verwendung von UART in Embedded-Designs,
• wie Sie UART-Kommunikation nahtlos in Ihre Software mit dem Qt-Framework integrieren können

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Lassen Sie uns darüber sprechen, wie wir Ihr Team unterstützen können.

 

Was ist UART?

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) ist eines der einfachsten und ältesten seriellen Kommunikationsprotokolle in Embedded-Systemen – vollständig auch als asynchroner Empfänger-Sender bezeichnet. Es ermöglicht zwei elektronischen Geräten, serielle Daten über lediglich zwei Leitungen auszutauschen: eine Sendeleitung (TX) und eine Empfangsleitung (RX) – allgemein bekannt als UART-Datenübertragungsleitung.

Im Gegensatz zu synchronen Protokollen (z. B. SPI oder I²C) ist UART eine asynchrone Kommunikation – es gibt kein gemeinsames Taktsignal zwischen den Geräten. Stattdessen müssen sich Sender und Empfänger im Voraus auf eine Datenrate (Übertragungsgeschwindigkeit) und ein Rahmenformat einigen. Jedes Datenpaket wird mit speziellen Bits umrahmt (Start- und Stoppbits sowie optional ein Paritätsbit), sodass der Empfänger das Timing des Senders „on the fly“ synchronisieren kann. Die Anordnung dieser Elemente definiert das gesamte Datenformat und stellt sicher, dass jedes Datenpaket korrekt interpretiert wird. Dieses Start-Stopp-Framing ermöglicht es UART-Geräten, Daten in beliebigen Intervallen ohne externen Takt zu senden – daher „asynchron“.

In der Praxis ist eine UART-Verbindung typischerweise Punkt-zu-Punkt: Sie verbindet zwei Geräte direkt, z. B. einen Mikrocontroller mit einem PC oder ein MCU mit einem Peripheriemodul – oft einfach als UART-Verbindung bezeichnet.

 

 

Wo wird UART verwendet?

UARTs sind allgegenwärtig in Embedded-Systemen. Sie dienen häufig als Konsolen- oder Debug-Schnittstelle auf Entwicklungsboards und ermöglichen es Entwicklern, Nachrichten zu protokollieren oder Datenbefehle zu senden. Sie werden zum Anschluss von GPS-Empfängern, Bluetooth-/Wi-Fi-Modulen, GSM-Modems, RFID-Lesegeräten und zahllosen anderen Peripheriegeräten verwendet, die serielle Daten übertragen.

In vielen Mikrocontrollern ist ein UART als integriertes Peripherie-Modul vorhanden, und der klassische serielle PC-Anschluss ist ein UART, der die RS-232-Standardsignalpegel verwendet. Moderne PCs verfügen möglicherweise nicht mehr über physische RS-232-Ports, aber USB-zu-UART-Konverterkabel sind weit verbreitet, um Computer mit UART-Pins eingebetteter Geräte zu verbinden. Insgesamt bleibt UART beliebt aufgrund seiner Einfachheit und des geringen Overheads bei der Datenkommunikation über kurze Entfernungen (typischerweise bis zu 15–20 Meter über direkte Kabelverbindungen oder etwa 15 Meter ohne spezielle Leitungstreiber) – mit entsprechender Hardwareunterstützung kann es auch für bestimmte Langstreckenübertragungen angepasst werden.

 

 

Vorteile und Nachteile von UART

Wie jeder Kommunikationskanal hat auch UART seine Vor- und Nachteile. Für Entwicklungsteams und Entscheidungsträger ist es wichtig zu verstehen, in welchen Bereichen UART überzeugt und wo seine Einschränkungen ein Projekt beeinflussen können.

 

Vorteile von UART:

• Einfachheit und niedrige Kosten: UART ist unkompliziert und gut unterstützt. Die Hardwareimplementierung ist einfach und kostengünstig – nahezu alle Mikrocontroller enthalten einen oder mehrere UART-Ports. Diese Einfachheit macht die Einrichtung und das Debuggen der UART-Kommunikation einfach, was die Entwicklungszeit reduzieren kann.

 

• Minimaler Verdrahtungsaufwand: Nur zwei Datenleitungen (plus Masse) werden für die Vollduplex-Kommunikation benötigt – der sendende UART zieht die TX-Leitung je nach zu sendendem Bit auf High oder Low. Im Gegensatz zu I²C oder SPI ist keine separate Taktleitung erforderlich. Weniger Leitungen bedeuten einfachere PCB-Layouts und Steckverbindungen im Vergleich zu paralleler Kommunikation.

 

• Kein Adressierungsaufwand: UART ist eine direkte Verbindung zwischen zwei Endpunkten, sodass keine Softwareadressierung oder komplexe Bus-Arbitrierung erforderlich ist, um zu identifizieren, wer sendet. Das macht das Protokoll leichtgewichtig mit sehr geringem Overhead pro Paket – besonders bei fester Datenlänge.

 

• Einfache Fehlerprüfung: Ein optionales Paritätsbit kann zur grundlegenden Fehlererkennung auf Byte-Ebene aktiviert werden. Zwar erkennt es nicht alle Fehler, kann aber einzelne Bit-Kippfehler erkennen und bietet so eine einfache Integritätsprüfung ohne zusätzliche Software.

 

• Flexibles Framing: Das Rahmenformat (Datenbits, Parität, Stoppbits) ist konfigurierbar und kann an unterschiedliche Anwendungsanforderungen angepasst werden, z. B. parallele Datenkonvertierung oder spezifisches Timing. Solange sich beide Seiten einig sind, kann man z. B. 7-Bit-Daten mit ungerader Parität oder 9-Bit-Rahmen für spezielle Anwendungsfälle verwenden.

 

• Plattformübergreifend & abwärtskompatibel: UART ist seit Jahrzehnten im Einsatz und plattformübergreifend unterstützt. Von kleinen 8-Bit-MCUs bis zu PCs – nahezu jedes System verfügt über eine UART-Schnittstelle oder kann leicht damit ausgestattet werden. Diese breite Unterstützung macht UART ideal für Interoperabilität und den Anschluss älterer Geräte, die einen Datenbus verwenden.

 

Nachteile von UART:

• Nur Punkt-zu-Punkt: Eine UART-Verbindung verbindet in der Regel nur zwei Geräte. Es gibt keine eingebaute Unterstützung für das Ansprechen mehrerer Geräte oder Multidrop-Netzwerke. (Serielle Netzwerke mit mehreren Geräten erfordern externe Transceiver und Protokolle – z. B. ermöglicht RS-485-Middleware Multidrop-Verbindungen, aber Sie müssen ein eigenes Adressierungsschema auf einer höheren Protokollebene implementieren.) Für Anwendungen mit mehreren Knoten auf einem Bus ist UART allein keine ideale Lösung.

 

• Abstimmung der Einstellungen erforderlich: Da es sich um asynchrone Kommunikation handelt, müssen beide Seiten exakt dieselbe Baudrate und dasselbe Rahmenformat verwenden, damit der sendende UART die Daten korrekt überträgt und der empfangende UART sie korrekt interpretiert. Stimmen diese Parameter nicht überein, schlägt die Kommunikation fehl oder erzeugt fehlerhafte Daten. Für eine erfolgreiche Kommunikation müssen Baudrate und Framing konsistent sein.

 

• Begrenzte Datenrate und Reichweite: UART ist im Vergleich zu modernen Kommunikationsschnittstellen relativ langsam. In vielen eingebetteten Szenarien liegt die praktische Obergrenze bei einigen Hundert Kilobit pro Sekunde (115,2 kbps ist ein häufig verwendeter Standardwert). Höhere Geschwindigkeiten sind möglich, jedoch anfälliger für Timing-Probleme und Störungen auf der Leitung. Ohne spezielle Treiber ist die Kabellänge für eine zuverlässige UART-Übertragung stark begrenzt.

 

• Keine robuste Fehlerbehandlung oder Paketierung: Abgesehen vom Paritätsbit bietet UART keine eingebaute Fehlerkorrektur oder Paketbestätigung. Wenn Bytes beschädigt oder verloren gehen, fordert die UART-Hardware keine erneute Übertragung an. Die Datenintegrität muss häufig über Prüfverfahren auf einer höheren Ebene sichergestellt werden.

 

• Halbduplex-Kommunikationsmuster: Obwohl die UART-Hardware an sich Vollduplex-fähig ist (separate TX- und RX-Leitungen können gleichzeitig arbeiten), nutzen viele UART-basierte Protokolle in der Praxis Anfrage-Antwort-Muster, die einem Halbduplex-Verhalten entsprechen.

 

• Flusskontrolle muss separat behandelt werden: UART verhindert nicht von sich aus Pufferüberläufe. Ein schnell sendendes Gerät kann den Puffer eines langsamen Empfängers überfordern, wenn dieser die Daten nicht rechtzeitig verarbeiten kann. Um dies zu verhindern, können Flusskontrollmechanismen eingesetzt werden – entweder per Hardware (zusätzliche RTS/CTS-Leitungen zur Steuerung von Start/Stopp der Übertragung) oder per Software (XON/XOFF-Steuerzeichen). Diese Mechanismen sind jedoch Zusatzfunktionen und kein Bestandteil von UART selbst, und ihre Implementierung bringt zusätzliche Komplexität mit sich. Entscheidungsträger sollten sicherstellen, dass bei erwarteten großen Datenmengen eine geeignete Flusskontrolle oder Pufferstrategie vorhanden ist, um Datenverluste zu vermeiden.

 

 

Qt und UART – Überblick

Wie Sie vielleicht wissen, bietet das Qt-Framework leistungsstarke Bibliotheken zur Implementierung verschiedenster Kommunikationsprotokolle – und UART bildet da keine Ausnahme. Qt enthält ein Modul namens Qt Serial Port (eingeführt als offizielles Add-on in Qt 5), das die Integration von UART-Kommunikation in Ihre Anwendung stark vereinfacht. Anstatt sich mit betriebssystemspezifischen Low-Level-APIs (wie Win32 CreateFile für COM-Ports oder POSIX termios unter Linux) auseinanderzusetzen, können Sie mit den High-Level-Klassen von Qt serielle Schnittstellen plattformübergreifend öffnen und Daten austauschen.

Egal, ob Sie mit einem eingebetteten Gerät über einen physischen RS-232/UART-Port kommunizieren oder über einen virtuellen USB-COM-Port – Qt bietet Ihnen eine einheitliche API, die effiziente Datenübertragung unterstützt und die Handhabung des Empfangs serieller Daten in ereignisgesteuerten Anwendungen vereinfacht. Derselbe Qt-Code kann auf einem Desktop-PC, einem Embedded-Linux-Board oder einer anderen unterstützten Plattform ausgeführt werden – das erleichtert die Entwicklung erheblich und verbessert die Portabilität.

 

 

Warum Qt für UART-Kommunikation verwenden?

Neben den allgemeinen Vorteilen von Qt (einem leistungsfähigen C++-Framework mit umfangreichen GUI-Tools) gibt es drei Hauptgründe, warum Qt besonders für UART-Kommunikation sinnvoll ist:

 

Abstraktion auf hoher Ebene

Qt bietet eine intuitive High-Level-API für serielle Ports, sodass Sie sich nicht mit plattformspezifischem Code oder umständlicher Byte-Verarbeitung auf niedriger Ebene beschäftigen müssen. In nativen Umgebungen erfordert die UART-Nutzung oft unterschiedliche Systemaufrufe oder Treiberbibliotheken auf jedem Betriebssystem. Im Gegensatz dazu abstrahiert die Qt-Klasse QSerialPort all diese Details über eine saubere Schnittstelle. Sie können einen Port mit wenigen Funktionsaufrufen öffnen sowie Daten lesen und schreiben. Die Konfiguration der Schnittstellenparameter (Baudrate, Parität, usw.) erfolgt über einfache Setter in QSerialPort, anstatt mit ioctl-Strukturen oder Windows-DCB-Definitionen.

 

Plattformübergreifende Unterstützung

Die Verwendung von Qt für UART-Kommunikation gewährleistet, dass Ihr Code auf verschiedenen Betriebssystemen und Hardwareplattformen lauffähig ist. Qt Serial Port ist auf allen wichtigen Desktop-OS und vielen Embedded-Plattformen verfügbar und nutzt dabei das jeweils passende Backend. Beispielsweise läuft derselbe QSerialPort-Code auf einem Embedded-Linux-Gerät oder unter Windows – Qt verwendet unter der Haube POSIX-termios-Aufrufe unter Linux und WinAPI unter Windows, ohne dass Sie sich darum kümmern müssen. Kein umständliches Umschalten per bedingter Kompilierung oder verschiedene Frameworks pro Plattform.

 

Effizientes ereignisgesteuertes Modell

Das Signal-Slot-Prinzip von Qt passt hervorragend zur asynchronen seriellen Kommunikation. Anstatt in Schleifen auf Portdaten zu warten oder Threads zu blockieren, kann Ihre Anwendung auf UART-Ereignisse ereignisgesteuert reagieren. Beispielsweise emittiert QSerialPort ein readyRead()-Signal, sobald neue Daten im Eingabepuffer verfügbar sind. Sie können dieses Signal mit einem Slot verbinden, der die eingehenden Daten sofort liest und verarbeitet. Das bedeutet kein manuelles Polling und keine unnötigen CPU-Zyklen zur Datenerkennung.

 

Qt Serial Port API – Überblick

Das Modul Qt Serial Port bietet mehrere wichtige Klassen, um UART-Kommunikation einfach in C++ umzusetzen:

 

• QSerialPort – Die zentrale Klasse zur Repräsentation eines seriellen Geräts. Mit QSerialPort konfigurieren Sie den Port (Baudrate, Datenbits, Parität, Stoppbits, Flusskontrolle) und führen Lese-/Schreiboperationen durch.
• QSerialPortInfo – Eine Hilfsklasse zur Auflistung und Beschreibung aller seriellen Schnittstellen im System. QSerialPortInfo kann alle verfügbaren Ports ermitteln und Informationen wie Portname, Hersteller und Seriennummer bereitstellen – nützlich z. B. zur Anzeige einer Portliste für die Benutzerauswahl.

 

Praktisches Beispiel – UART-Kommunikationsprotokoll in einer Qt-Anwendung

Um zu veranschaulichen, wie einfach die Integration von UART mit Qt ist, betrachten wir ein einfaches Anwendungsszenario.

 

Verbindung mit einem seriellen Gerät

Konfigurieren Sie den seriellen Port mit den gängigsten Einstellungen (115200 Baud, 8 Datenbits, keine Parität, ein Stoppbit, keine Flusskontrolle)

 

 auto serialPort = new QSerialPort(this);
#ifdef Q_OS_WIN
    serialPort->setPortName("COM1");
#else
    serialPort->setPortName("/dev/ttyUSB0");
#endif
    serialPort->setBaudRate(QSerialPort::Baud115200);
    serialPort->setDataBits(QSerialPort::Data8);
    serialPort->setParity(QSerialPort::NoParity);
    serialPort->setStopBits(QSerialPort::OneStop);
    serialPort->setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl);

    if (!serialPort->open(QIODevice::ReadWrite)) {
        qWarning() << "Fehler beim Öffnen des seriellen Ports:" << serialPort->errorString();
    }

 

Daten lesen und schreiben (asynchrones I/O)

Asynchroner Lese-Handler: wird ausgelöst, sobald neue Daten über den seriellen Port verfügbar sind

 

connect(m_serialPort, &QSerialPort::readyRead, this, [this]() {
        QByteArray chunk = m_serialPort->readAll();
        if (!chunk.isEmpty()) {
            m_buffer.append(chunk);
            processBuffer();
        }
    });

 

Fehlerbehandlung und Port schließen

Grundlegende Fehlerbehandlung: den Fehler protokollieren und den Port schließen. In Produktionscode könnten Sie den Benutzer benachrichtigen oder einen erneuten Verbindungsversuch nach einer Verzögerung planen.

 

connect(m_serialPort,
            &QSerialPort::errorOccurred,
            this,
            [this](QSerialPort::SerialPortError error) {
                qWarning() << "Fehler am seriellen Port:" << error;
                m_serialPort->close();
				 // Hier könnte man ein Fehlersignal an die UI senden, einen erneuten Versuch planen usw.
            });

 

Fazit

Für Entscheidungsträger lässt sich zusammenfassen: Qt ermöglicht die schnelle Entwicklung robuster Funktionen zur seriellen Kommunikation. Anstatt plattformspezifischen Code separat zu schreiben und zu pflegen (und sich mit den Eigenheiten jedes Systems auseinanderzusetzen), kann Ihr Team die einheitliche API von Qt nutzen. Das reduziert Fehler und verkürzt die Time-to-Market, da die aufwendige Low-Level-Kommunikation und plattformübergreifende Kompatibilität von den Qt-Bibliotheken übernommen werden. Darüber hinaus integriert Qt die UART-Verarbeitung in seine Ereignisschleife, sodass das Applikationsdesign sauber und reaktionsfähig bleibt – was entscheidend ist für moderne Embedded-Oberflächen, die häufig Echtzeit-Datenanzeige mit Benutzerinteraktion kombinieren.

Benötigen Sie professionelle Unterstützung bei der Implementierung UART-basierter Protokolle oder beim Aufbau leistungsstarker Embedded-Anwendungen mit Qt? Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihrem Team gerne weiter.