单片机通信接口的物理结构和固件特性分析

单片机通信接口的物理结构和固件特性分析

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。

单片机通信接口的物理结构及通信特性分析

一、串行通信口的物理特性

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：

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：

（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。

2.单片机串行通信接口基本固件特性

单片机串行通信接口一般包括发送数据、接收数据、发送时钟、接收时钟、线路监测、碰撞处理、波特率设置、帧结构设备等。这些固件的特性有一个共同的特点，就是全部以寄存器为操作对象，并在每一个操作指令结束时执行寄存器操作，通过寄存器的输出电路实现相应的功能。由此可知，寄存器操作的特性，就是单片机串行通信接口固件的特性。

（1）次序固定的固件特性。单片机串行以通信接口操作中，必须先进行相应的设置，才能实施通信。这种固定的次序是单片机串行通信接口的重要固件特性，如果忽略了这种次序特性，必然会导致通信失败。

（2）协议相关的固件特性。通信协议是有效利用单片机串行通信接口的基本保证之一。如果在单片机的通信协议执行过程中出现问题，则通信功能就会丧失。

（3）隐含协调性。所谓隐含协调性指隐含在通信指令集中的协议规定，如发送方与接收方的等待协议规定等。

由此，可以把单片机的固件特性用3个不同集合之交表示：设有通信接口的操作次序集合A、相关协议集合B和隐含规约集合C。A中的每一个元素都是一种正确的通信接口操作次序；B中每一个元素都是一种体现相关协议的通信接口操作要求；C中每一个元素都是一种隐含规约，则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，要检查单片机串行通信接口的基本固件特性，可以使用式（2）进行判别；如果不能满足式（2），就表明单片机串行通信接口的固件特性有问题，会引起通信失效。

三、单片机通信性能分析

上述对单片机串行通信接口的物理特性和因件特性的分析，提供了单片机通信性能分析的基础。单片机通信性能分析包括比特吞吐特性分析、有效性分析和数据安全性分析。

1.比特吞吐特性分析

比特吞吐特性，是指单片机执行通信任务时单位时间内发送和接收的比特数目。比特吞吐特性不能用串行特性的波特率代替。比特吞特性不仅与波特率有关，更与单片机的固件特性有关。不同的通信协议会引起不同的通信操作，形成不同的操作固件。这种固件操作的有效性才是决定比特吞吐特性的关键。

在处理一组数据时，设通信协议处理数据的时间为tp，串行通信发送数据的时间为tc，则总的通信时间为t=tp+tc，因此，串行通信接口的比特吞吐特性可用如下函数表示：

ξ=fctc/（tp+tc） （5）

式中，ξ叫做比特吞吐系数，fc是固件设备的串行通信波特率。可见，在fc固定的条件下，要提高比特吞吐特性，就必须尽量减少tp+tc并增加tc。在tp=0这种极端情况下，比特吞吐系数才能等于通信波特率。

利用比特吞吐系数可以方便地检查单片机的串行通信能力能否满足应用系统的要求。例如，应用系统要求每秒钟内传输10个字节数据，相当于要求每秒钟的比特吞吐系数为80K。这里K是数据帧格式有效系数：异步串行通信中K》1；同步串行通信中K=1。根据这个要求，可以对应用系统所设计的软件结构进行核实，如果不能满足，则说明应用系统不能满足对通信的要求，必须进行调整。 责任编辑；zl

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