單片機(jī)通信性能分析和評價方法
關(guān)鍵詞：單片機(jī) 通信 性能分析
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(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(jī)通信功能是否滿足設(shè)計目標(biāo)要求是必須設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。
在單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)中，需要有一個對單片機(jī)通信性能進(jìn)行分析評價的理論方法，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(jī)通信性能的分析和評價方法。
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，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條同步時鐘線，一共需要4條通信線（占用單片機(jī)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(jī)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(yuǎn)小于電路電壓跟蹤速度時，可認(rèn)為每一位數(shù)據(jù)的電平保護(hù)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(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，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(jī)通信接口功能的控制方式
單片機(jī)串行通信接口功能的控制是在單片機(jī)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)支持下的軟件操作。單片機(jī)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一系列的寄存器操作實現(xiàn)的。基本控制步驟如下：
（1）設(shè)置必要參數(shù)（如通信速率、時鐘源、終端方式等）；
（2）設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（對于異步通信口）；
（3）通過向發(fā)送寄存器寫入數(shù)據(jù)，啟動發(fā)送/接收——讀取數(shù)據(jù)。
每一次通信（發(fā)送一個字節(jié)）都需要重復(fù)最后一個步驟。
由此可知，單片機(jī)串行通信接口寄存器的操作會直接影響通信接口的功能和性能。由于單片機(jī)的每一步驟操作都是執(zhí)行1條指令，
所以，單片機(jī)串行通信的真正發(fā)送時間，是向發(fā)送寄存器寫數(shù)據(jù)指令結(jié)束的時刻。
2.單片機(jī)串行通信接口基本固件特性
單片機(jī)串行通信接口一般包括發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送時鐘、接收時鐘、線路監(jiān)測、碰撞處理、波特率設(shè)置、幀結(jié)構(gòu)設(shè)備等。這些固件的特性有一個共同的特點，就是全部以寄存器為操作對象，并在每一個操作指令結(jié)束時執(zhí)行寄存器操作，通過寄存器的輸出電路實現(xiàn)相應(yīng)的功能。由此可知，寄存器操作的特性，就是單片機(jī)串行通信接口固件的特性。
（1）次序固定的固件特性。單片機(jī)串行以通信接口操作中，必須先進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，才能實施通信。這種固定的次序是單片機(jī)串行通信接口的重要固件特性，如果忽略了這種次序特性，必然會導(dǎo)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(jī)串行通信接口的基本保證之一。如果在單片機(jī)的通信協(xié)議執(zhí)行過程中出現(xiàn)問題，則通信功能就會喪失。
（3）隱含協(xié)調(diào)性。所謂隱含協(xié)調(diào)性指隱含在通信指令集中的協(xié)議規(guī)定，如發(fā)送方與接收方的等待協(xié)議規(guī)定等。
由此，可以把單片機(jī)的固件特性用3個不同集合之交表示：設(shè)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(guī)約集合C。A中的每一個元素都是一種正確的通信接口操作次序；B中每一個元素都是一種體現(xiàn)相關(guān)協(xié)議的通信接口操作要求；C中每一個元素都是一種隱含規(guī)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(jī)串行通信接口的基本固件特性，可以使用式（2）進(jìn)行判別；如果不能滿足式（2），就表明單片機(jī)串行通信接口的固件特性有問題，會引起通信失效。
三、單片機(jī)通信性能分析
上述對單片機(jī)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(jī)通信性能分析的基礎(chǔ)。單片機(jī)通信性能分析包括比特吞吐特性分析、有效性分析和數(shù)據(jù)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(jī)執(zhí)行通信任務(wù)時單位時間內(nèi)發(fā)送和接收的比特數(shù)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(jī)的固件特性有關(guān)。不同的通信協(xié)議會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(shù)據(jù)時，設(shè)通信協(xié)議處理數(shù)據(jù)的時間為tp，串行通信發(fā)送數(shù)據(jù)的時間為tc，則總的通信時間為t=tp+tc,因此，串行通信接口的比特吞吐特性可用如下函數(shù)表示：
ξ=fctc/(tp+tc) (5)
式中，ξ叫做比特吞吐系數(shù)，fc是固件設(shè)備的串行通信波特率。可見，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(shù)才能等于通信波特率。
利用比特吞吐系數(shù)可以方便地檢查單片機(jī)的串行通信能力能否滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求。例如，應(yīng)用系統(tǒng)要求每秒鐘內(nèi)傳輸10個字節(jié)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于要求每秒鐘的比特吞吐系數(shù)為80K。這里K是數(shù)據(jù)幀格式有效系數(shù)：異步串行通信中K>1；同步串行通信中K=1。
根據(jù)這個要求，可以對應(yīng)用系統(tǒng)所設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行核實，如果不能滿足，則說明應(yīng)用系統(tǒng)不能滿足對通信的要求，必須進(jìn)行調(diào)整。
2.有效性分析
所謂有效性，是指對包括通信協(xié)議在內(nèi)的整個通信過程的有效性。設(shè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送和接收的控制信息數(shù)據(jù)是隨機(jī)函數(shù)y=P(x)，其中x代表單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量。Y的數(shù)據(jù)期望是：
σ=E[y]=E[P(x)] (6)
σ叫做單片機(jī)串行通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸有效性系數(shù)。顯然，在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能的前提下，σ的值小，說明數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行愿?；反之，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量大，說明系數(shù)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(shù)據(jù)采集。
有效性分析就是要根據(jù)系數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾S機(jī)分布，估計系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性。可以直接利用有效性系數(shù)作為檢驗的標(biāo)準(zhǔn)。
此外，數(shù)據(jù)識別率也是衡量單片機(jī)通信效果和應(yīng)用系統(tǒng)固件特性的一種重要參數(shù)。
數(shù)據(jù)識別率是指對接收到的數(shù)據(jù)語義理解的速度。設(shè)單片機(jī)接收到能代表完整意義的X個字節(jié)所需要的時間是tx,語義理解（翻譯和判別）需要的時間為tY，則數(shù)據(jù)識別率為
η=X/(tx+ty) （7）
數(shù)據(jù)識別率表示了單位時間內(nèi)單片機(jī)通信的效果，η值越大，表明單片機(jī)的整體固件特性越好，通信效率越高。
3.數(shù)據(jù)完全性
數(shù)據(jù)安全性不僅與系統(tǒng)的串行通信物理特征有關(guān)，更主要的是與應(yīng)用系統(tǒng)通信的固件特性有關(guān)，尤其是通信協(xié)議中的應(yīng)用層，直接關(guān)系系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全。
數(shù)據(jù)安全性可以用通信穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)識別率表示。
通信穩(wěn)定性與通信線路和物理接口的侵入和干擾狀態(tài)有關(guān)。對于單片機(jī)通信系統(tǒng)來說，當(dāng)多個單片機(jī)采用串行連接的方法連接在1條總線上時，通信線路的侵入狀態(tài)由通信協(xié)議直接確定。如使用令牌通信方式時，基本上沒有侵入狀態(tài)；但如果用客戶/服務(wù)器方式，侵入狀態(tài)將隨線路上單片機(jī)數(shù)量的增加而惡化。這是比較復(fù)雜的通信系統(tǒng)行為特性分析問題，本文不再分析。
結(jié)論
本文對單片機(jī)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(shù)的分析方法，并導(dǎo)出了在不考慮傳輸線電感（PCB板）條件下電路分布參數(shù)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(shù)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(jī)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(guī)約集合C的交集進(jìn)行檢查。選擇一組合適的固件結(jié)構(gòu)組合，以保證通信系統(tǒng)通信接口控制性能固件的正確性。
對單片機(jī)通信性能評價時，可以使用本文提出的單片機(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)傳輸有效性系數(shù)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)通信特性進(jìn)行分析，同時也中以利用這些參數(shù)進(jìn)行單片機(jī)的選擇和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。
必須指出，單片機(jī)通信系統(tǒng)的安全特性也是一個重要的應(yīng)用基礎(chǔ)，限于篇幅本文不再討論。
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