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單片機通信性能分析和評價方法
摘要：本文對單片機通信性能的分析和評價方法進行研究，指出了物理接口電路分布參數(shù)的分析方法和保證通信系統(tǒng)通信接口控制性能固件正確性的組合選擇法。對單片機通信性能評價時，可以使用本文提出單片機通信性能分析參數(shù)。這些參數(shù)是比特吞吐系數(shù)ξ、數(shù)據(jù)傳輸有效性σ和數(shù)據(jù)識別率η。利用這些參數(shù)，可以定量地對單片機通信性能進行分析，同時也可以利用這些參數(shù)進行單片機的選擇和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。引言
現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個突出特點，就是使工業(yè)控制系統(tǒng)6中的所有設(shè)備連接成網(wǎng)，從而在一個核心軟件管理下工作（這個軟件可能是分布式的操作系統(tǒng)，
也可能是嵌入式操作系統(tǒng)），形成一個有機的整體。這種整體網(wǎng)絡(luò)方式的現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)具有傳統(tǒng)獨立控制系統(tǒng)所無法比擬的先進性，不僅能極大地提高工業(yè)設(shè)備的生產(chǎn)效率，還可以大大提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
目前，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，工業(yè)設(shè)備都必須以網(wǎng)絡(luò)終端的形式出現(xiàn)在系統(tǒng)中，而這種網(wǎng)絡(luò)終端大多用單片機或數(shù)字信號處理來實現(xiàn)。由于工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)備的多樣性和分布性，智能模塊方式的單片機終端已經(jīng)成為主流設(shè)備控制方式。隨著信息和電子技術(shù)的發(fā)展，各種工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不斷改進，這就對單片機通信功能的要求不斷增加。特別是對各種現(xiàn)場總線技術(shù)中通信接口和通信協(xié)議，更是提出了新的通信要求：不僅能適應(yīng)某一個通信協(xié)議，還希望能成為一種通信協(xié)議自動轉(zhuǎn)換的智能終端。因此，單片機通信功能是否滿足設(shè)計目標要求是必須設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。
在單片機應(yīng)用技術(shù)中，需要有一個對單片機通信性能進行分析評價的理論方法，只有這樣才能解決對單片機通信性能進行評價和設(shè)計的問題。本文的目的就是通過研究討論，提出一個對單片機通信性能的分析和評價方法。
本文從單片機通信接口的物理結(jié)構(gòu)和固件特性兩個方面對單片機通信接口進行了分析，提出了接口電路物理性能分析模型和通信特性定量評價分析的參數(shù)。
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方面進行考慮。通信接口性能主要表現(xiàn)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(tǒng)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，但一般需要1條發(fā)送和1條接收串行數(shù)據(jù)通信線、1條通信目標選擇線和1條同步時鐘線，一共需要4條通信線（占用單片機的4個I/O引腳）。SOC雖然數(shù)據(jù)傳輸速度低于SPI，但一般只需要2條數(shù)據(jù)線和1條地線即可，也就是只需要3根通信線（占用單片機的3個引腳）。
SPI和SCI串行通信接口的基本電路結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。
從圖中可以看到SPI和SCI的物理結(jié)構(gòu)有很大差別：SPI的通信速率和信號接收正確率由時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鐘分頻率決定。
通信接口接收的是數(shù)字電平信號，因此，存在電平判別的問題。如果輸入電路的物理特性對輸入電平波形有影響，則會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(qū)動電路之間的待效電路圖。
當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率遠小于電路電壓跟蹤速度時，可認為每一位數(shù)據(jù)的電平保護足夠長的時間。根據(jù)圖3可以得到輸出和輸入信號的階段響應(yīng)：
u=U(1-e -at) （1）
式中，u是數(shù)字信號高電平，a=1/[R（C1 C2）]是上升時間常數(shù)。圖4是數(shù)字信號受到分布參數(shù)影響后的波形。
根據(jù)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，信號上升時間應(yīng)當(dāng)為信號脈沖寬度的1/4～1/10。
由此，當(dāng)數(shù)字信號為TTL電平時，要求單片機接口電路的分布參數(shù)范圍是
當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)為CMOS電平時，要求單片機接口電路的分布參數(shù)范圍是
如果單片機的物理分布參數(shù)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(shù)對數(shù)字信號波形的影響，進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所具有技術(shù)特性。固件特性包括兩個方面問題，一個方面是軟件行為對硬件的要求條件，另一個是硬件電路所能提供的結(jié)構(gòu)和功能特性。
1.單片機通信接口功能的控制方式
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