趙雪 陳國(guó)通 馬忠強(qiáng)

河北科技大學(xué)

UART的可靠通信與性能探究

趙雪 陳國(guó)通 馬忠強(qiáng)

河北科技大學(xué)

本文從數(shù)據(jù)鏈路層通信系統(tǒng)的理論特性出發(fā)，結(jié)合接口通信速率以及傳輸線允許的最大通信速率分析了基于UART接口設(shè)備的通信可靠性，并由UART的通信原理出發(fā)對(duì)其通信性能進(jìn)行了探究。

UART 可靠通信 性能

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器）為異步串行通信接口的總稱，主要為計(jì)算機(jī)及串行設(shè)備直接提供數(shù)據(jù)接口，其包含RS232、RS499、RS423、RS422、RS458等在內(nèi)的各種異步串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，定義了底層接口的相關(guān)電氣，傳輸，機(jī)械特性。

圖1 UART在ISO七層模型中的位置

1 基于UART通信接口設(shè)備的可靠性分析

構(gòu)建可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是通信成功的基本保證。在物理層，通信可靠性的保證主要受限于通信距離的遠(yuǎn)近以及通信波特率的大小。在惡劣壞境的某些工業(yè)場(chǎng)合中，可靠性的保證還應(yīng)對(duì)總線阻抗的不連續(xù)性，誤觸發(fā)接收器，驅(qū)動(dòng)器誤觸發(fā)，共模干擾電壓超限，A/B線上高能量瞬變干擾等進(jìn)行考量。

UART的最高通信速率可由接口單元的通信速率與傳輸線所允許的最高通信速率有關(guān)。

1.1 接口通信速率Brc

基于UART通信接口的設(shè)備可由發(fā)射及接收單元、邏輯控制單元、波特率發(fā)生單元構(gòu)成，其等效電路如圖2所示。接口單元通信速率取決于其等效電路的分布參數(shù)，其中C1、C2為等效電路的并聯(lián)電容。

圖2 通信接口的等效電路圖

1.2 傳輸線所允許最大通信速率Brt

傳輸線在進(jìn)行高頻信號(hào)傳送時(shí)，趨膚效應(yīng)引起信號(hào)的畸變的程度以及傳輸線的特性阻抗都可能限制著通信距離的遠(yuǎn)近。

傳輸線等效模型可由具有高頻特性的電阻、電容、電感串并聯(lián)構(gòu)成，如圖3-(a)所示。其中，電阻在高頻情況下的等效模型如圖3-(b)。

圖3

不同于低頻電阻，在高頻情況下，電阻對(duì)信號(hào)的損耗可忽略不計(jì)，損耗主要集中在LC并聯(lián)諧振濾波器對(duì)信號(hào)的低通影響，因此通信速率的增大也伴隨著通信距離的減少作為代價(jià)。信號(hào)的傳輸頻率增大時(shí)，傳輸線中的電流向表面趨近，導(dǎo)致傳輸線內(nèi)部的電流較為微弱，這種現(xiàn)象即為趨膚效應(yīng)。其帶來(lái)直接后果就是傳輸線的損耗加大，同樣限制了通信距離的遠(yuǎn)近。

依據(jù)香農(nóng)公式，在信噪比固定的情況下，傳輸線上可允許的最大傳輸速率為：，

在接口通信速率Brc和傳輸線所允許最大通信速率Brt已知的情況下，UART最高通信速率為：。

2 UART的通信性能分析

UART是異步通信的一種，異步通信在通信時(shí)，發(fā)送字符串之間的時(shí)間間隔無(wú)需滿足特定關(guān)系，發(fā)送字符通常以幀為最小單位。

2.1 UART通信原理

UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，規(guī)定字符在傳輸時(shí)是以串行的方式逐位發(fā)送/接收。其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由圖4所示。

圖4 UART數(shù)據(jù)幀格式

針對(duì)UART的傳輸原理及幀結(jié)構(gòu)，其性能可由以下幾點(diǎn)進(jìn)行探究。

傳輸效率：UART數(shù)據(jù)幀中包含空閑位，起始位，停止位，奇偶校驗(yàn)位各一位，數(shù)據(jù)位8位，占幀長(zhǎng)的66.6%。加入串位間傳號(hào)的影響，實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸率應(yīng)在60%以下。

節(jié)點(diǎn)吞吐率：即傳輸線上的“忙閑”程度，定義為單位時(shí)間內(nèi)在傳輸線上進(jìn)行傳輸?shù)男畔⒘?單位bit)。其值與傳輸線及CPU等硬件的性能有關(guān)。對(duì)于吞吐率較高的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其對(duì)信息進(jìn)行前后處理的時(shí)間較短，因此可通過(guò)減小信息進(jìn)行前后處理的時(shí)間來(lái)提高吞吐性能。

數(shù)據(jù)理解率：即每個(gè)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)所收到的信息的理解量，假設(shè)某節(jié)點(diǎn)收到一串長(zhǎng)度為L(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀，接受完全這些信息用時(shí)Tr，理解完全這些信息用時(shí)Tu，則數(shù)據(jù)理解率可表示為：

對(duì)于固態(tài)性能較好的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其值也越高。

[1]胡立坤,王慶超. 基于UART的可靠通信與性能分析[J].計(jì)算機(jī)工程,2006,10:15-17+21

[2]季雄,段吉海,胡媛媛,袁柯,于海生. 基于Verilog HDL的UART設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2006,17:230-232

[3]孫天慧. 工業(yè)變頻器工作可靠性檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].東北大學(xué),2014

陳國(guó)通，男，河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授，研究方向：數(shù)據(jù)交換與傳輸。