UART的可靠通信与性能探究

赵雪 陈国通 马忠强

河北科技大学

UART的可靠通信与性能探究

赵雪 陈国通 马忠强

河北科技大学

本文从数据链路层通信系统的理论特性出发，结合接口通信速率以及传输线允许的最大通信速率分析了基于UART接口设备的通信可靠性，并由UART的通信原理出发对其通信性能进行了探究。

UART 可靠通信 性能

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）为异步串行通信接口的总称，主要为计算机及串行设备直接提供数据接口，其包含RS232、RS499、RS423、RS422、RS458等在内的各种异步串行通信接口标准，定义了底层接口的相关电气，传输，机械特性。

图1 UART在ISO七层模型中的位置

1 基于UART通信接口设备的可靠性分析

构建可靠的通信网络是通信成功的基本保证。在物理层，通信可靠性的保证主要受限于通信距离的远近以及通信波特率的大小。在恶劣坏境的某些工业场合中，可靠性的保证还应对总线阻抗的不连续性，误触发接收器，驱动器误触发，共模干扰电压超限，A/B线上高能量瞬变干扰等进行考量。

UART的最高通信速率可由接口单元的通信速率与传输线所允许的最高通信速率有关。

1.1 接口通信速率Brc

基于UART通信接口的设备可由发射及接收单元、逻辑控制单元、波特率发生单元构成，其等效电路如图2所示。接口单元通信速率取决于其等效电路的分布参数，其中C1、C2为等效电路的并联电容。

图2 通信接口的等效电路图

1.2 传输线所允许最大通信速率Brt

传输线在进行高频信号传送时，趋肤效应引起信号的畸变的程度以及传输线的特性阻抗都可能限制着通信距离的远近。

传输线等效模型可由具有高频特性的电阻、电容、电感串并联构成，如图3-(a)所示。其中，电阻在高频情况下的等效模型如图3-(b)。

图3

不同于低频电阻，在高频情况下，电阻对信号的损耗可忽略不计，损耗主要集中在LC并联谐振滤波器对信号的低通影响，因此通信速率的增大也伴随着通信距离的减少作为代价。信号的传输频率增大时，传输线中的电流向表面趋近，导致传输线内部的电流较为微弱，这种现象即为趋肤效应。其带来直接后果就是传输线的损耗加大，同样限制了通信距离的远近。

依据香农公式，在信噪比固定的情况下，传输线上可允许的最大传输速率为：，

在接口通信速率Brc和传输线所允许最大通信速率Brt已知的情况下，UART最高通信速率为：。

2 UART的通信性能分析

UART是异步通信的一种，异步通信在通信时，发送字符串之间的时间间隔无需满足特定关系，发送字符通常以帧为最小单位。

2.1 UART通信原理

UART作为异步串口通信协议的一种，规定字符在传输时是以串行的方式逐位发送/接收。其数据帧结构由图4所示。

图4 UART数据帧格式

针对UART的传输原理及帧结构，其性能可由以下几点进行探究。

传输效率：UART数据帧中包含空闲位，起始位，停止位，奇偶校验位各一位，数据位8位，占帧长的66.6%。加入串位间传号的影响，实际的数据传输率应在60%以下。

节点吞吐率：即传输线上的“忙闲”程度，定义为单位时间内在传输线上进行传输的信息量(单位bit)。其值与传输线及CPU等硬件的性能有关。对于吞吐率较高的节点来说，其对信息进行前后处理的时间较短，因此可通过减小信息进行前后处理的时间来提高吞吐性能。

数据理解率：即每个节点在单位时间内对所收到的信息的理解量，假设某节点收到一串长度为L的数据帧，接受完全这些信息用时Tr，理解完全这些信息用时Tu，则数据理解率可表示为：

对于固态性能较好的系统来说，其值也越高。

[1]胡立坤,王庆超. 基于UART的可靠通信与性能分析[J].计算机工程,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设计[J]. 微计算机信息,2006,17:230-232

[3]孙天慧. 工业变频器工作可靠性检测系统的研究与开发[D].东北大学,2014

陈国通，男，河北科技大学信息科学与工程学院教授，研究方向：数据交换与传输。