單片機通信性能探究專(zhuān)業(yè)論文
一、串行通信口的物理特性
對單片機的通信性能可以從通信接口性能和軟件處理能兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。通信接口性能主要表現在與通信有關(guān)的電路物理性能上；而軟件處理性能則與單片機的指令系統和CPU性能直接有關(guān)，所以，軟件處理性能可以用單片機的固件特性來(lái)表示。
單片機串行通信接口一般分為兩種，一種是同步串行通信接口（SPI），另一種是異步串行通信接口（SCI）。SPI具有串行通信速度高的特點(diǎn)，但一般需要1條發(fā)送和1條接收串行數據通信線(xiàn)、1條通信目標選擇線(xiàn)和1條同步時(shí)鐘線(xiàn)，一共需要4條通信線(xiàn)（占用單片機的4個(gè)I/O引腳）。SOC雖然數據傳輸速度低于SPI，但一般只需要2條數據線(xiàn)和1條地線(xiàn)即可，也就是只需要3根通信線(xiàn)（占用單片機的3個(gè)引腳）。
SPI和SCI串行通信接口的基本電路結構如圖1和圖2所示。
從圖中可以看到SPI和SCI的物理結構有很大差別：SPI的通信速率和信號接收正確率由時(shí)鐘和接口物理特性決定；SCI的通信速率和信號接收正確率由物理接口和時(shí)鐘分頻率決定。
通信接口接收的是數字電平信號，因此，存在電平判別的問(wèn)題。如果輸入電路的物理特性對輸入電平波形有影響，則會(huì )直接影響接收信號的正確性。因此，要求接收和發(fā)送電路的物理特性必須滿(mǎn)足波形的要求。
通信息的物理特性還與通信介質(zhì)和連接狀態(tài)有關(guān)。圖3是通信接口電路和驅動(dòng)電路之間的待效電路圖。
當數據傳輸速率遠小于電路電壓跟蹤速度時(shí)，可認為每一位數據的電平保護足夠長(cháng)的時(shí)間。根據圖3可以得到輸出和輸入信號的階段響應：
u=U(1-e-at)（1）
式中，u是數字信號高電平，a=1/[R（C1+C2）]是上升時(shí)間常數。圖4是數字信號受到分布參數影響后的波形。
根據式（1）可知，在5V電源電壓條件下，通信信號電平幅度上升到判別電壓幅度（TTL高電平或CMOS高電平）所需時(shí)間是T=-R(C1+C2)ln0.46(對TTL電路)或T=-R(C1+C2)ln0.72（對CMOS電路）。如果信號的波特率為fb，為確保正確接收，信號上升時(shí)間應當為信號脈沖寬度的1/4～1/10。
由此，當數字信號為T(mén)TL電平時(shí)，要求單片機接口電路的分布參數范圍是
當數字系統為CMOS電平時(shí)，要求單片機接口電路的分布參數范圍是
如果單片機的物理分布參數已經(jīng)確定，則式（2）和式（3）就是最高通信速率的限制條件。
通過(guò)以上分析可以看出，單片機通信接口的物理特性對通信性能直接影響，主要反映在接口電路分布參數對數字信號波形的影響，進(jìn)而引起接口電平判別失誤。
二、單片機串行通信接口的固件特性
所謂單片機串行通信接口的固件特性，是指單片機串行通信接口的控制和支持硬件在串行通信時(shí)所具有技術(shù)特性。固件特性包括兩個(gè)方面問(wèn)題，一個(gè)方面是軟件行為對硬件的要求條件，另一個(gè)是硬件電路所能提供的結構和功能特性。
1.單片機通信接口功能的控制方式
單片機串行通信接口功能的控制是在單片機內部硬件結構支持下的軟件操作。單片機是面向寄存器的工作方式，因此，對于通信接口的控制是通過(guò)一系列的寄存器操作實(shí)現的�；究刂撇襟E如下：
�。�1）設置必要參數（如通信速率、時(shí)鐘源、終端方式等）；
�。�2）設置數據結構（對于異步通信口）；
�。�3）通過(guò)向發(fā)送寄存器寫(xiě)入數據，啟動(dòng)發(fā)送/接收——讀取數據。
每一次通信（發(fā)送一個(gè)字節）都需要重復最后一個(gè)步驟。
由此可知，單片機串行通信接口寄存器的操作會(huì )直接影響通信接口的功能和性能。由于單片機的每一步驟操作都是執行1條指令，所以，單片機串行通信的真正發(fā)送時(shí)間，是向發(fā)送寄存器寫(xiě)數據指令結束的時(shí)刻。
2.單片機串行通信接口基本固件特性
單片機串行通信接口一般包括發(fā)送數據、接收數據、發(fā)送時(shí)鐘、接收時(shí)鐘、線(xiàn)路監測、碰撞處理、波特率設置、幀結構設備等。這些固件的特性有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是全部以寄存器為操作對象，并在每一個(gè)操作指令結束時(shí)執行寄存器操作，通過(guò)寄存器的輸出電路實(shí)現相應的功能。由此可知，寄存器操作的特性，就是單片機串行通信接口固件的特性。
�。�1）次序固定的固件特性。單片機串行以通信接口操作中，必須先進(jìn)行相應的設置，才能實(shí)施通信。這種固定的次序是單片機串行通信接口的重要固件特性，如果忽略了這種次序特性，必然會(huì )導致通信失敗。
�。�2）協(xié)議相關(guān)的固件特性。通信協(xié)議是有效利用單片機串行通信接口的基本保證之一。如果在單片機的通信協(xié)議執行過(guò)程中出現問(wèn)題，則通信功能就會(huì )喪失。
�。�3）隱含協(xié)調性。所謂隱含協(xié)調性指隱含在通信指令集中的協(xié)議規定，如發(fā)送方與接收方的等待協(xié)議規定等。
由此，可以把單片機的固件特性用3個(gè)不同集合之交表示：設有通信接口的操作次序集合A、相關(guān)協(xié)議集合B和隱含規約集合C。A中的每一個(gè)元素都是一種正確的通信接口操作次序；B中每一個(gè)元素都是一種體現相關(guān)協(xié)議的通信接口操作要求；C中每一個(gè)元素都是一種隱含規約，則符合要求的通信接口控制固件必然是三者之交：
Y=A∩B∩C（4）
由此可知，要檢查單片機串行通信接口的基本固件特性，可以使用式（2）進(jìn)行判別；如果不能滿(mǎn)足式（2），就表明單片機串行通信接口的固件特性有問(wèn)題，會(huì )引起通信失效。
三、單片機通信性能分析
上述對單片機串行通信接口的物理特性和因件特性的分析，提供了單片機通信性能分析的基礎。單片機通信性能分析包括比特吞吐特性分析、有效性分析和數據安全性分析。
1.比特吞吐特性分析
比特吞吐特性，是指單片機執行通信任務(wù)時(shí)單位時(shí)間內發(fā)送和接收的比特數目。比特吞吐特性不能用串行特性的波特率代替。比特吞特性不僅與波特率有關(guān)，更與單片機的固件特性有關(guān)。不同的通信協(xié)議會(huì )引起不同的通信操作，形成不同的操作固件。這種固件操作的有效性才是決定比特吞吐特性的關(guān)鍵。
在處理一組數據時(shí)，設通信協(xié)議處理數據的時(shí)間為tp，串行通信發(fā)送數據的時(shí)間為tc，則總的通信時(shí)間為t=tp+tc,因此，串行通信接口的比特吞吐特性可用如下函數表示：
ξ=fctc/(tp+tc)(5)
式中，ξ叫做比特吞吐系數，fc是固件設備的串行通信波特率�？梢�(jiàn)，在fc固定的條件下，要提高比特吞吐特性，就必須盡量減少tp+tc并增加tc。在tp=0這種極端情況下，比特吞吐系數才能等于通信波特率。
利用比特吞吐系數可以方便地檢查單片機的`串行通信能力能否滿(mǎn)足應用系統的要求。例如，應用系統要求每秒鐘內傳輸10個(gè)字節數據，相當于要求每秒鐘的比特吞吐系數為80K。這里K是數據幀格式有效系數：異步串行通信中K>1；同步串行通信中K=1。根據這個(gè)要求，可以對應用系統所設計的軟件結構進(jìn)行核實(shí)，如果不能滿(mǎn)足，則說(shuō)明應用系統不能滿(mǎn)足對通信的要求，必須進(jìn)行調整。
2.有效性分析
所謂有效性，是指對包括通信協(xié)議在內的整個(gè)通信過(guò)程的有效性。設單片機應用系統發(fā)送和接收的控制信息數據是隨機函數y=P(x)，其中x代表單位時(shí)間內的數據傳輸量。Y的數據期望是：
σ=E[y]=E[P(x)](6)
σ叫做單片機串行通信系統的數據傳輸有效性系數。顯然，在滿(mǎn)足應用系統功能的前提下，σ的值小，說(shuō)明數據傳輸的有效性高；反之，系統數據傳輸量大，說(shuō)明系數控制信息的有效性差。必須注意，這里只考慮控制信息，并不包括必要的數據采集。
有效性分析就是要根據系數數據傳輸的隨機分布，估計系統數據的有效性�？梢灾苯永糜行韵禂底鳛闄z驗的標準。
此外，數據識別率也是衡量單片機通信效果和應用系統固件特性的一種重要參數。
數據識別率是指對接收到的數據語(yǔ)義理解的速度。設單片機接收到能代表完整意義的X個(gè)字節所需要的時(shí)間是tx,語(yǔ)義理解（翻譯和判別）需要的時(shí)間為tY，則數據識別率為
η=X/(tx+ty)（7）
數據識別率表示了單位時(shí)間內單片機通信的效果，η值越大，表明單片機的整體固件特性越好，通信效率越高。
3.數據完全性
數據安全性不僅與系統的串行通信物理特征有關(guān)，更主要的是與應用系統通信的固件特性有關(guān)，尤其是通信協(xié)議中的應用層，直接關(guān)系系統的數據安全。
數據安全性可以用通信穩定性和數據識別率表示。
通信穩定性與通信線(xiàn)路和物理接口的侵入和干擾狀態(tài)有關(guān)。對于單片機通信系統來(lái)說(shuō)，當多個(gè)單片機采用串行連接的方法連接在1條總線(xiàn)上時(shí)，通信線(xiàn)路的侵入狀態(tài)由通信協(xié)議直接確定。如使用令牌通信方式時(shí)，基本上沒(méi)有侵入狀態(tài)；但如果用客戶(hù)/服務(wù)器方式，侵入狀態(tài)將隨線(xiàn)路上單片機數量的增加而惡化。這是比較復雜的通信系統行為特性分析問(wèn)題，本文不再分析。
結論
本文對單片機通信接口的物理特性和固件特性進(jìn)行了分析。指出了確定物理接口電路分布參數的分析方法，并導出了在不考慮傳輸線(xiàn)電感（PCB板）條件下電路分布參數與保證通信可靠條件之間的關(guān)系計算公式。這些計算表明，接口電路的分布參數是限制通信速度的主要因素之一。
通信接口控制的固件特性對單片機通信性能有重要影響。通信接口控制的固件特性需要用通信接口操作次序集合A、相關(guān)協(xié)議集合B和隱含規約集合C的交集進(jìn)行檢查。選擇一組合適的固件結構組合，以保證通信系統通信接口控制性能固件的正確性。
對單片機通信性能評價(jià)時(shí)，可以使用本文提出的單片機通信性能分析參數。這些參數是比特吞吐系數ξ、數據傳輸有效性系數σ和數據識別率η。利用這些參數，可以定量地對單片機通信特性進(jìn)行分析，同時(shí)也中以利用這些參數進(jìn)行單片機的選擇和應用系統設計。
必須指出，單片機通信系統的安全特性也是一個(gè)重要的應用基礎，限于篇幅本文不再討論。
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