单片机通信性能分析和评价方法

现代信息网络技术的一个突出特点，就是使工业控制系统6中的所有设备连接成网，从而在一个核心软件管理下工作（这个软件可能是分布式的操作系统，也可能是嵌入式操作系统），形成一个有机的整体。这种整体网络方式的现代工业控制系统具有传统独立控制系统所无法比拟的先进性，不仅能极大地提高工业设备的生产效率，还可以大大提高系统的安全性和可靠性。

目前，为了实现网络化系统，工业设备都必须以网络终端的形式出现在系统中，而这种网络终端大多用单片机或数字信号处理来实现。由于工业控制系统设备的多样性和分布性，智能模块方式的单片机终端已经成为主流设备控制方式。随着信息和电子技术的发展，各种工业控制系统网络不断改进，这就对单片机通信功能的要求不断增加。特别是对各种现场总线技术中通信接口和通信协议，更是提出了新的通信要求：不仅能适应某一个通信协议，还希望能成为一种通信协议自动转换的智能终端。因此，单片机通信功能是否满足设计目标要求是必须设计中的一个关键问题。

在单片机应用技术中，需要有一个对单片机通信性能进行分析评价的理论方法，只有这样才能解决对单片机通信性能进行评价和设计的问题。本文的目的就是通过研究讨论，提出一个对单片机通信性能的分析和评价方法。

本文从单片机通信接口的物理结构和固件特性两个方面对单片机通信接口进行了分析，提出了接口电路物理性能分析模型和通信特性定量评价分析的参数。

一、串行通信口的物理特性

对单片机的通信性能可以从通信接口性能和软件处理能两个方面进行考虑。通信接口性能主要表现在与通信有关的电路物理性能上；而软件处理性能则与单片机的指令系统和CPU性能直接有关，所以，软件处理性能可以用单片机的固件特性来表示。

单片机串行通信接口一般分为两种，一种是同步串行通信接口（SPI），另一种是异步串行通信接口（SCI）。SPI具有串行通信速度高的特点，但一般需要1条发送和1条接收串行数据通信线、1条通信目标选择线和1条同步时钟线，一共需要4条通信线（占用单片机的4个I/O引脚）。SOC虽然数据传输速度低于SPI，但一般只需要2条数据线和1条地线即可，也就是只需要3根通信线（占用单片机的3个引脚）。

SPI和SCI串行通信接口的基本电路结构如图1和图2所示。





从图中可以看到SPI和SCI的物理结构有很大差别：SPI的通信速率和信号接收正确率由时钟和接口物理特性决定；SCI的通信速率和信号接收正确率由物理接口和时钟分频率决定。

通信接口接收的是数字电平信号，因此，存在电平判别的问题。如果输入电路的物理特性对输入电平波形有影响，则会直接影响接收信号的正确性。因此，要求接收和发送电路的物理特性必须满足波形的要求。

通信息的物理特性还与通信介质和连接状态有关。图3是通信接口电路和驱动电路之间的待效电路图。



当数据传输速率远小于电路电压跟踪速度时，可认为每一位数据的电平保护足够长的时间。根据图3可以得到输出和输入信号的阶段响应：
u=U(1-e -at) （1）

式中，u是数字信号高电平，a=1/[R（C1+C2）]是上升时间常数。图4是数字信号受到分布参数影响后的波形。



根据式（1）可知，在5V电源电压条件下，通信信号电平幅度上升到判别电压幅度（TTL高电平或CMOS高电平）所需时间是T=-R(C1+C2)ln0.46(对TTL电路)或T=-R(C1+C2)ln0.72（对CMOS电路）。如果信号的波特率为fb，为确保正确接收，信号上升时间应当为信号脉冲宽度的1/4～1/10。

由此，当数字信号为TTL电平时，要求单片机接口电路的分布参数范围是



当数字系统为CMOS电平时，要求单片机接口电路的分布参数范围是



如果单片机的物理分布参数已经确定，则式（2）和式（3）就是最高通信速率的限制条件。

通过以上分析可以看出，单片机通信接口的物理特性对通信性能直接影响，主要反映在接口电路分布参数对数字信号波形的影响，进而引起接口电平判别失误。

二、单片机串行通信接口的固件特性

所谓单片机串行通信接口的固件特性，是指单片机串行通信接口的控制和支持硬件在串行通信时所具有技术特性。固件特性包括两个方面问题，一个方面是软件行为对硬件的要求条件，另一个是硬件电路所能提供的结构和功能特性。

1.单片机通信接口功能的控制方式

单片机串行通信接口功能的控制是在单片机内部硬件结构支持下的软件操作。单片机是面向寄存器的工作方式，因此，对于通信接口的控制是通过一系列的寄存器操作实现的。基本控制步骤如下：

（1）设置必要参数（如通信速率、时钟源、终端方式等）；

（2）设置数据结构（对于异步通信口）；

（3）通过向发送寄存器写入数据，启动发送/接收——读取数据。

每一次通信（发送一个字节）都需要重复最后一个步骤。

由此可知，单片机串行通信接口寄存器的操作会直接影响通信接口的功能和性能。由于单片机的每一步骤操作都是执行1条指令，所以，单片机串行通信的真正发送时间，是向发送寄存器写数据指令结束的时刻。