Todo sobre los puertos UART: Funcionamiento, configuraciones y aplicaciones

La tecnología de comunicación serie ha evolucionado de forma notable a lo largo de los años, pero uno de sus estándares más longevos y todavía esenciales en el mundo de la electrónica digital sigue siendo la UART. Este componente, cuyo nombre completo en inglés es Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, es clave para permitir la transmisión y recepción de datos entre dos dispositivos sin necesidad de una señal de reloj compartida.

En este artículo vamos a profundizar, sin escatimar en detalles, en qué consiste exactamente una UART, cómo funciona internamente, qué configuraciones permite, qué tipos existen, y cómo se utiliza en sistemas modernos como el ESP32 o los microcontroladores adaptados a Azure Sphere. También conocerás su papel histórico en la evolución del hardware y cómo detectar el tipo exacto de UART que tienes instalada.

¿Qué es una UART?

Una UART es un componente de hardware especializado en la transmisión de datos de forma asíncrona. Se encarga de convertir datos paralelos (como los provenientes del bus de un microcontrolador o PC) en un flujo de datos serie para ser enviados por una línea de comunicación, y viceversa. Para ampliar conocimientos sobre el funcionamiento de los puertos UART, puedes consultar qué es el protocolo TCP.

Este protocolo es conocido por su sencillez y amplia adopción. Al contrario que otros protocolos como I2C o SPI, la UART no necesita una señal de reloj adicional para sincronizar el envío de información, lo que simplifica su implementación en muchas plataformas.

Funcionamiento básico del protocolo UART

El funcionamiento de una UART se basa en una estructura de tramas predefinida que permite a los dispositivos identificar los distintos elementos de cada mensaje transmitido. Cada trama incluye:

• Bit de inicio: Indica el comienzo de la transmisión. Se detecta como una transición de un nivel de tensión alto (reposo) a bajo.
• Bits de datos: Generalmente entre 5 y 9 bits, aunque lo más habitual son 7 u 8. Se transmiten normalmente empezando por el bit menos significativo (LSB).
• Bit de paridad (opcional): Sirve como mecanismo de detección de errores.
• Bit o bits de parada: Uno o dos bits que marcan el final de la trama. Se representa por la vuelta a un nivel alto del canal.

La línea de transmisión se mantiene por defecto en nivel alto. Si permanece baja sin que haya un bit de inicio, es señal de un mal funcionamiento o línea dañada.

Ejemplo de transmisión de carácter

Para entender mejor cómo se codifica la información, tomemos el ejemplo del carácter ‘S’ en ASCII de 7 bits. Su valor binario es 1010011. UART primero invierte el orden (para enviar primero el bit menos significativo), quedando como 1100101. A esta secuencia se le añade un bit de inicio (0) al principio y uno o dos bits de parada (1) al final.

Tipos de UART y evolución histórica

Desde los primeros días de los ordenadores personales, se han desarrollado numerosos chips UART, cada uno más avanzado que el anterior. Algunos de los más relevantes incluyen:

• NS 8250: El primero en aparecer en el IBM PC original, pero con errores corregidos en BIOS.
• NS 8250A/B: Versiones posteriores con distintas compatibilidades con BIOS antiguas.
• NS 16450: Popular en PCs AT, permitía velocidades mayores de hasta 9600 bps.
• NS 16550: Incorporó búferes FIFO de 16 bytes, ideal para altas velocidades.
• NS 16550A: Mejoró los problemas de su predecesor y soporta velocidades de hasta 115200 bps.
• 16650/16750: Con búferes extendidos, llegaron incluso a soportar 56 Kbps o más.

Actualmente, muchas placas base integran UARTs directamente en el chipset, aunque mantienen compatibilidad con los chips clásicos como los de la serie 16550. Para profundizar en la historia de los sistemas operativos relacionados con la comunicación por puertos UART, consulta la historia de Windows 95.

Configuraciones posibles en una UART

Además de la estructura de bits, la UART permite configurar múltiples parámetros que afectan a la transmisión:

• Velocidades en baudios: Valores comunes como 9600, 19200, 38400, 115200, hasta 2 Mbps.
• Número de bits de datos: Entre 5 y 8 bits.
• Bits de parada: 1 o 2.
• Paridad: Ninguna, par o impar.
• Control de flujo: RTS/CTS (hardware), XON/XOFF (software) o ninguno.

Señales externas y otros niveles de interfaz

La UART por sí sola no suele manejar los niveles eléctricos de las señales que llegan desde el exterior. Para ello se emplean chips conversores que adaptan la señal a estándares como RS-232, RS-422 o RS-485. Incluso pueden usarse medios inalámbricos como Bluetooth o infrarrojos, o cableado óptico o radiofrecuencia.

Uso de UART en ESP32

El microcontrolador ESP32, muy popular en proyectos de IoT, incluye en sus variantes hasta tres puertos UART (UART0, UART1 y UART2), dependiendo del modelo. A diferencia de Arduino, estos puertos pueden reasignarse libremente a otros pines gracias a su multiplexor interno. Para ampliar detalles sobre su programación y configuración, consulta cómo instalar y exprimir CasaOS en Raspberry Pi 5.

Por ejemplo, UART1 viene configurado por defecto en pines usados por la memoria Flash, por lo que es necesario cambiar los pines si queremos usarlo. Algo similar ocurre con UART2, que no tiene pines preasignados y debemos configurarlos manualmente.

En el entorno Arduino, el ESP32 usa las clases Serial, Serial1 y Serial2 para manejar los puertos UART, pero en la práctica conviene definirlos manualmente con la clase HardwareSerial. Para un ejemplo completo, revisa SimulIDE Python tutorial práctico.

HardwareSerial MySerial(1);
const int MySerialRX = 16;
const int MySerialTX = 17;

void setup() {
  MySerial.begin(115200, SERIAL_8N1, MySerialRX, MySerialTX);
}

UART en Azure Sphere y MT3620

En el ecosistema de Azure Sphere, también se incluyen UARTs para comunicaciones serie. Los dispositivos MT3620, una de las plataformas más comunes, permiten conectarse a UARTs configurados desde el manifiesto de la aplicación. Para más detalles técnicos sobre sus capacidades, puedes consultar qué es Symbian.

Algunas características destacadas de UART en este contexto incluyen:

• Compatibilidad con tasas de baudios desde 1200 hasta 2.000.000
• Configuraciones de bits de datos, paridad y stop bits personalizables
• Búfer de recepción de hasta 32 bytes por hardware
• Utilización de funciones POSIX para lectura/escritura

Pruebas y diagnóstico de puertos UART

Para asegurarse de que un puerto UART funciona correctamente, se puede utilizar un conector de prueba en bucle (loopback) que simula la recepción de datos desde un dispositivo externo. Este método se basa en puenteo de pines para reflejar la salida TX en la entrada RX. Para verificar la compatibilidad, puede ser útil consultar qué es XAMPP.

Por ejemplo, para un conector DB9:

• Pin 2 (RX) → Pin 3 (TX)
• Pin 4 (DTR) → Pin 6 (DSR) y Pin 1 (CD)
• Pin 7 (RTS) → Pin 8 (CTS)

Además, programas como msd.exe en MS-DOS o las herramientas de diagnóstico de Windows permiten identificar el tipo de UART instalada, su velocidad y otros parámetros esenciales.

La UART sigue siendo una tecnología ampliamente utilizada y versátil, tanto en entornos de desarrollo como en producción, permitiendo una comunicación fiable y sencilla. La correcta configuración de las tramas, la selección de los pines adecuados y la comprensión de las limitaciones de cada modelo UART son fundamentales para garantizar sistemas de comunicación robustos y eficientes.

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