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電子工作の知恵袋

UART　その１　基本

 

 

マイコンを使う上で避けて通れない技術の一つがシリアル通信です。

今回は、その中のＵＡＲＴというデバイス（装置）について簡単に説明します。

ＵＡＲＴは組込系のほとんどのマイコンに搭載されている通信装置で、今でも良く使われている規格というかデバイス（装置）の一つです。

このＵＡＲＴは、ＲＳ２３２ＣやＬＩＮなどにも応用できる基本的な技術ですので、マイコンを扱う方はぜひマスターしたい技術ですね。

 

 

 

 

ＵＡＲＴ概要

 

このUARTというのは　Universal Asynchronous Receiver Transmitter の略でシリアル通信装置の一種です。

１バイト８ビットのデータを１本の電線で送るために、時系列にデータを分解して、１ビットづつ出力（送信）または入力（受信）します。

もともとは、ナショナルセミコンダクター製の１６４５０や１６５５０Ａ等のＩＣが源流らしいのですが、今ではＩＣというよりはＵＡＲＴという技術自体が業界標準となっています。

 

最近のほとんどのマイコンにはUART機能が搭載されており、マイコン間のデータ交換や、変換ICを使用してRS232C規格の通信またはＵＳＢ規格の通信に変換し、パソコンやＦＡ機器とデータのやり取りをすることが可能です。


マイコンメーカーによってはＵＡＲＴ以外に独自の呼び方をするメーカーもあります。

例えば、PICはＵＳＡＲＴと呼び、ルネサス製Ｈ８マイコンはUART機能を持った内蔵デバイスのことをＳＣＩといいます。

 

尚、ＵＡＲＴは装置（デバイス）のことを指し示すことは既に述べたとおりですが、ＵＡＲＴで扱う信号の電圧がＴＴＬやＣＭＯＳ　ＩＣと同じ電圧レベルであるため、中にはＵＡＲＴのことをＴＴＬ、ＣＭＯＳやロジックと呼ぶ方もいるようです。

 

 

 

実際の配線例と注意点

 

これはきわめて単純で、一番簡単なUARTの使い方は送信・受信・ＧＮＤの３線式構成となります。

ただし、３線方式はノイズに弱いため遠距離の通信には向いていません。

通信速度や使用する周囲環境にもよりますが１ｍ以上の通信には不向きと思った方がよいでしょう。

 

以下回路図は、ＰＩＣ１６Ｆ６９０同士をＵＡＲTで接続する場合の配線例です。

基本的にはＴＸ端子を相手のＲＸ端子に接続します。

同じ電源を使用していれば、単純にこれだけでお互い通信が可能です。

TXは送信、RXは受信という意味の略で良く使われますので覚えておきましょう。

マイコンによってはTXDやRXDなど若干違う言い方をします。

 

回路図中のＲ１とＲ２は、電源を入れた瞬間に誤通信する可能性があるのと、通信中に外部からのくるノイズを低減するために適当な（数ＫΩ〜数十ＫΩ）値のプルアップ抵抗をいれます。

マイコン間の配線が数十ｃｍ以上ある場合は、ノイズ耐性を上げるためにも入れたほうが無難です。

ソフトウエア等で誤通信をフィルタリング出来る場合などは不要な事もありますので付加するしないはケースバイケースで考えてください。

 

また、マイコンのポートを直接外部に引き出すことが多いため、静電気対策には十分な注意が必要です。

 

 

 

  

  

 

UARTのコネクタ

 

UARTには標準化されたコネクタはありません。

というよりは、標準のコネクタがあったとしても使用することはめったにありません。

小規模な機器内のデバイス間通信で使われることが多いため、直接配線でコネクタを必要としないか、使用する場合でも適当なコネクタを使用することがほとんどです。

  

 

 

 

通信フォーマット

 

ＵＡＲＴは一般には調歩同期式と呼ばれる方式で送受信を行います。

これは、タイミングをとるための同期クロック線を不要にしたフォーマットで、３線のみで通信を行うことができます。

調歩同期式の通信フォーマットは以下のようになります。

スタートビットからストップビットまでが１バイト分の転送です。

 



（上図はＰＩＣ１６Ｆ６９０の場合）

 

データの転送がない時は、Ｈレベル（５Ｖや３Ｖなどのマイコンの電源電圧）となっており、データを転送する時には、データを送る側（ＴＸなどと記載される）がまずスタートビットと呼ばれる一定期間Ｌレベルのパルスを出します。

受け側は、このスタートビット、つまり今までＨレベルだったのがＬレベル（０Ｖなど）になったことで、転送が開始されるということを認識します。

スタートビットが終了すると、次に転送したい１バイトデータのビット０側（LSBともいう)から順に転送されます。

例えばビット０が１の場合は一定期間Hレベル（５Ｖ）、ビット１が０の場合はLレベル（０Ｖ）というようになります。

そして、１バイト（８ビット）を転送し終えた次にパリティビットと呼ばれるエラーチェック用のビットが送られます。

パリティビットは通常自動的に計算して付加されるので、使用する側は意識する必要はほとんどありません。

尚、パリティビットはソフトウエアで付加するしないの設定ができますが一部のマイコン（ＰＩＣ１６Ｆ６９０など）は、最初から付加しないと固定されていることもあります。（上記図はパリティビットなし）

パリティビットが送られた後は、ストップビットと呼ばれるHレベルのパルスが、設定に応じて１ヶまたは２ヶ分の期間送られます。

当然ですが、各パルスの幅やパリティビット、ストップビットの数など、お互い送受信するマイコンは同じ設定をしなければなりません。

これらは事前にプログラムで設定さえしておけばマイコン内蔵のＵＡＲＴハードウエアが設定した通り自動的行ってくれます。

 

 

 

 

マイコンでＵＡＲＴ使用するための初期設定

 

設定方法はマイコンによって全く異なりますので、ＵＡＲＴの設定を行う場合はマイコンのマニュアルを確認しながら行う必要があります。

基本的には、以下のパラメータは必須で、他にもそのマイコン特有の設定が必要となります。

 

　・通信速度

良くある設定速度（ボーレート）は以下の通りです。（単位：ｂｐｓ＝ビット／秒）

１１０ｂｐｓ、１５０ｂｐｓ、３００ｂｐｓ、６００ｂｐｓ、１２００ｂｐｓ、２４００ｂｐｓ

４８００ｂｐｓ、９６００ｂｐｓ、１９２００ｂｐｓ、３８４００ｂｐｓ

他には１１５ｋｂｐｓなど対応しているものもあります。

ちなみに、１ビットあたりの転送時間は、この値の逆数値となります。

例えば、９６００ｂｐｓの場合の１ビットあたりの時間は１／９６００秒です。

 

　・データビット数

８ビットか７ビットかを選択します。

７ビットを選ぶことはほとんどないのですが、７ビットは昔のアスキーコードが７ビットで足りた時代の名残りのようなものです。

組込系では８ビットが基本となります。

 

　・パリティビット

データビットで１となっているビットの数が偶数個になるようにこのビットを付加する場合を偶数パリティ。逆に奇数となるようにするのが奇数パリティといいます。

ノイズなどによるデータ化けの判定のための付加ビットで、付加することでエラー判定しやすくなりますが、１ビット分転送時間が余分に必要となるため、使用環境が良好な場合は付加しません。基本的には、事前に設定すればUARTデバイスが自動で付加したりエラー判定を行います。

 

　・ストップビットの数

１ビットまたは２ビットを選択します。

基本は１ビットです。

 

 

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次は　 UARTの電圧　に続く

 

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