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單片機(jī)通信性能分析和評價(jià)方法
摘要：本文對單片機(jī)通信性能的分析和評價(jià)方法進(jìn)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(jī)通信性能評價(jià)時(shí)，可以使用本文提出單片機(jī)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(jī)通信性能進(jìn)行分析，同時(shí)也可以利用這些參數(shù)進(jìn)行單片機(jī)的選擇和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。引言
現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)突出特點(diǎn)，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(gè)核心軟件管理下工作（這個(gè)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(gè)有機(jī)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(dú)立控制系統(tǒng)所無法比擬的先進(jìn)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(shí)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(jī)或數(shù)字信號處理來實(shí)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(jī)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(jìn)，這就對單片機(jī)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(gè)通信協(xié)議，還希望能成為一種通信協(xié)議自動(dòng)轉(zhuǎn)換的智能終端。因此，單片機(jī)通信功能是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求是必須設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。
在單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)中，需要有一個(gè)對單片機(jī)通信性能進(jìn)行分析評價(jià)的理論方法，只有這樣才能解決對單片機(jī)通信性能進(jìn)行評價(jià)和設(shè)計(jì)的問題。本文的目的就是通過研究討論，提出一個(gè)對單片機(jī)通信性能的分析和評價(jià)方法。
本文從單片機(jī)通信接口的物理結(jié)構(gòu)和固件特性兩個(gè)方面對單片機(jī)通信接口進(jìn)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(jià)分析的參數(shù)。
一、串行通信口的物理特性
對單片機(jī)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(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(jī)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(jī)的固件特性來表示。
單片機(jī)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(shù)據(jù)通信線、1條通信目標(biāo)選擇線和1條同步時(shí)鐘線，一共需要4條通信線（占用單片機(jī)的4個(gè)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(jī)的3個(gè)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(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(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(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(dòng)電路之間的待效電路圖。
當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)小于電路電壓跟蹤速度時(shí)，可認(rèn)為每一位數(shù)據(jù)的電平保護(hù)足夠長的時(shí)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(shí)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(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(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(shí)，要求單片機(jī)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(shí)，要求單片機(jī)接口電路的分布參數(shù)范圍是
如果單片機(jī)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(jī)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(jìn)而引起接口電平判別失誤。
二、單片機(jī)串行通信接口的固件特性
所謂單片機(jī)串行通信接口的固件特性，是指單片機(jī)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(jié)構(gòu)和功能特性。
1.單片機(jī)通信接口功能的控制方式
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