UART的可靠通信與性能探究

趙雪 陳國通 馬忠強

河北科技大學

UART的可靠通信與性能探究

趙雪 陳國通 馬忠強

河北科技大學

本文從數據鏈路層通信系統的理論特性出發，結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接口設備的通信可靠性，并由UART的通信原理出發對其通信性能進行了探究。

UART 可靠通信 性能

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發傳輸器）為異步串行通信接口的總稱，主要為計算機及串行設備直接提供數據接口，其包含RS232、RS499、RS423、RS422、RS458等在內的各種異步串行通信接口標準，定義了底層接口的相關電氣，傳輸，機械特性。

圖1 UART在ISO七層模型中的位置

1 基于UART通信接口設備的可靠性分析

構建可靠的通信網絡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近以及通信波特率的大小。在惡劣壞境的某些工業場合中，可靠性的保證還應對總線阻抗的不連續性，誤觸發接收器，驅動器誤觸發，共模干擾電壓超限，A/B線上高能量瞬變干擾等進行考量。

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。

1.1 接口通信速率Brc

基于UART通信接口的設備可由發射及接收單元、邏輯控制單元、波特率發生單元構成，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，其中C1、C2為等效電路的并聯電容。

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

傳輸線在進行高頻信號傳送時，趨膚效應引起信號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、電感串并聯構成，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，電阻對信號的損耗可忽略不計，損耗主要集中在LC并聯諧振濾波器對信號的低通影響，因此通信速率的增大也伴隨著通信距離的減少作為代價。信號的傳輸頻率增大時，傳輸線中的電流向表面趨近，導致傳輸線內部的電流較為微弱，這種現象即為趨膚效應。其帶來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近。

依據香農公式，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，發送字符串之間的時間間隔無需滿足特定關系，發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議的一種，規定字符在傳輸時是以串行的方式逐位發送/接收。其數據幀結構由圖4所示。

圖4 UART數據幀格式

針對UART的傳輸原理及幀結構，其性能可由以下幾點進行探究。

傳輸效率：UART數據幀中包含空閑位，起始位，停止位，奇偶校驗位各一位，數據位8位，占幀長的66.6%。加入串位間傳號的影響，實際的數據傳輸率應在60%以下。

節點吞吐率：即傳輸線上的“忙閑”程度，定義為單位時間內在傳輸線上進行傳輸的信息量(單位bit)。其值與傳輸線及CPU等硬件的性能有關。對于吞吐率較高的節點來說，其對信息進行前后處理的時間較短，因此可通過減小信息進行前后處理的時間來提高吞吐性能。

數據理解率：即每個節點在單位時間內對所收到的信息的理解量，假設某節點收到一串長度為L的數據幀，接受完全這些信息用時Tr，理解完全這些信息用時Tu，則數據理解率可表示為：

對于固態性能較好的系統來說，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].計算機工程,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設計[J]. 微計算機信息,2006,17:230-232

[3]孫天慧. 工業變頻器工作可靠性檢測系統的研究與開發[D].東北大學,2014

陳國通，男，河北科技大學信息科學與工程學院教授，研究方向：數據交換與傳輸。