基本中の基本の通信技術

マイコンを使う上で避けて通れない技術の一つがシリアル通信で、その中でもＵＡＲＴは最も基本的な通信技術です。
そして、マイコンを扱う方は、必ずマスターしなければならない技術の一つでもあります。

ＵＡＲＴとは

１バイト８ビットのデータを１本の電線で送るために、時系列にデータを分解して、１ビットづつ出力（送信）または入力（受信）します。
ほとんどのマイコンにＵＡＲＴが内蔵されており、基板内ＩＣ間のデータ交換や、さらに他規格に変換してＦＡ機器やＰＣのデータ交換に使用されます。

マイコンメーカーによっては、ＵＡＲＴという名称ではなく、独自の呼び方をするメーカーもあります。
例えば、ＰＩＣはＵＳＡＲＴと呼び、ルネサス製Ｈ８マイコンはＵＡＲＴ機能を持った内蔵デバイスのことをＳＣＩといいます。

ＵＡＲＴは　Universal Asynchronous Receiver Transmitter　の略で、ナショナルセミコンダクター製の１６４５０や１６５５０Ａ等のＩＣが源流です。
今では、ＩＣというよりはＵＡＲＴという技術自体が業界標準となっています。
また、ＵＡＲＴがＴＴＬやＣＭＯＳと同じ電圧レベルであるため、人によってはＵＡＲＴのことをＴＴＬ通信・ＣＭＯＳ通信やロジック通信と呼ぶ方も時々います。

通信フォーマット

ＵＡＲＴは、調歩同期式と呼ばれる方式で送受信を行います。
これは、同期クロック線を不要にした方式で、送信・受信・ＧＮＤの３線のみで通信を行います。
最近はデーター垂れ流しが基本で、相手と送受信タイミングを取ることは滅多にありません。
どうしても、データー量やマイコンの処理の都合で、相手側デバイスと送受信のタイミングを取らなければならない場合は、タイミング用のデータを送受信してから本データをやり取りするか、マイコンのポートで「受信待ち」「受信不可」などの情報を交換します。

調歩同期式の通信フォーマットは以下のようになります。

（上図はＰＩＣ１６Ｆ６９０でパリティビットがないフォーマット）
スタートビットからストップビットまでが１バイト分の転送です。

データの転送がない時は、Ｈレベル（５Ｖや３Ｖなどのマイコンの電源電圧）となっており、データを転送する時には、データを送る側ＴＸが最初にスタートビットと呼ばれる一定期間Ｌレベルのパルスを出します。
受け側は、このスタートビット、つまり今までＨレベルだったのがＬレベル（０Ｖなど）になったことで、転送が開始されるということを認識します。
スタートビットが終了後、次に転送したい１バイトデータのビット０側（ＬＳＢともいう)から順に送信されます。

例えばビット０が１の場合は一定期間Ｈレベル（５Ｖ）、ビット１が０の場合はLレベル（０Ｖ）というようになります。
そして、１バイト（８ビット）を転送し終えた次に、パリティビットと呼ばれるエラーチェック用のビットが送られます。
パリティビットはマイコンが勝手に計算して付加するので、使用する側は意識する必要はほとんどありません。
尚、パリティビットはソフトウエアで付加するしないの設定ができますが、一部のマイコン（ＰＩＣ１６Ｆ６９０など）は、最初から付加しないと固定されていることもあります。（上記図はパリティビットなし）
パリティビットが送られた後は、ストップビットと呼ばれるＨレベルのパルスが設定に応じて１ヶまたは２ヶ分の期間送られます。

当然ですが、各パルスの幅やパリティビット、ストップビットの数など、自分側と相手側のマイコンは同じ設定をしなければなりません。
これらは事前にプログラムで設定さえしておけば、マイコン内蔵のＵＡＲＴハードウエアが設定した通り自動的行ってくれます。

ＵＡＲＴの通信距離

ＵＡＲＴはマイコンのポートをそのまま相互に接続したような構成であるため、他の規格に比べノイズに弱くメートル単位の遠距離通信には不向きです。
通信速度や使用する周囲環境にもよりますが、同一基板内の使用が基本です。
もし、基板外に配線を引き出すとしても数十ｃｍ以下で使用します。

実際の配線例と注意点

以下回路図は、ＰＩＣ１６Ｆ６９０同士をＵＡＲＴで接続する場合の配線例です。

基本的にはＴＸ端子を、相手のＲＸ端子に接続します。
同じ電源を使用していれば、単純にこれだけでお互い通信が可能です。
ＴＸは送信、ＲＸは受信という意味の略で良く使われます。
マイコンによっては、ＴＸＤやＲＸＤなど若干違う言い方をします。

回路図中のＲ１とＲ２は、電源を入れた瞬間の誤通信防止と、回路インピーダンスを下げてノイズレベルを下げるために付加します。
ソフトウエア等で電源オンの誤通信をフィルタリング出来る場合などは不要な事もあります。
信号線のノイズ耐性を上げるためにも、できる限り抵抗は入れましょう。

ＵＡＲＴのコネクタ

ＵＡＲＴに決まったコネクタはありません。
機器内のデバイス間通信で使われるため、直接配線でコネクタを必要としないか、必要な場合でも適当なコネクタを使用することがほとんどです。

設定が必要なパラメータ

一般的には、以下のパラメータの設定が必須です。
マイコン特有の設定が追加で必要な場合があります。
ＰＩＣ１６Ｆ６９０系であれば、電子工作の知恵袋の　ＰＩＣ１６Ｆ６９０汎用Ｃソースコードと汎用Ｃソースコード定義関数の説明　の利用で簡単に設定ができます。
参考にしてください。

・通信速度
良くある設定速度（ボーレート）は以下の通りです。（単位：ｂｐｓ＝ビット／秒）
　１１０ｂｐｓ、１５０ｂｐｓ、３００ｂｐｓ、６００ｂｐｓ、１２００ｂｐｓ、２４００ｂｐｓ
　４８００ｂｐｓ、９６００ｂｐｓ、１９２００ｂｐｓ、３８４００ｂｐｓ
他には、１１５ｋｂｐｓなどマイコンが対応している場合もあります。
最近は、マイコンの高速化に伴い１１５ｋｂｐｓを使う場合が多くあります。
尚、通信速度はマイコンのクロック周波数に依存します。

・データビット数
８ビットか７ビットかを選択します。
７ビットを選ぶことはほとんどありません。
一般的には、８ビットを設定します。
７ビットは昔のアスキーコードが７ビットで足りた時代の名残りのようなものです。

・パリティビット
１となっているビットの数が偶数個になるようにこのビットを付加する場合を偶数パリティ、逆に奇数となるようにするのが奇数パリティといいます。
ノイズなどによるデータ化けの判定のための付加ビットで、付加することでエラー判定しやすくなりますが、１ビット分転送時間が余分に必要となるため、使用環境が良好な場合は付加しません。
基本的には、事前に設定すればマイコンのＵＡＲＴが自動で付加とエラー判定を行います。

・ストップビットの数
１ビットまたは２ビットを選択します。
２ビットを選ぶことはほとんどありません。
基本は、１ビットです。

・割り込み
データが１バイト分届いたらマイコンの割り込みを発生させるかどうかを選択します。
常にデータが届いたかどうかをプログラムで監視する必要がないので、基本は割り込みを使います。

・エラー発生時の対応
何らかのエラーが通信中に発生する可能性はゼロではありません。
マイコンのハードウエアが検出できる通信エラー項目全てに対してどのように対応するのかを設定する必要があります。
尚、基板内短距離通信の場合や周囲のノイズ環境が良好な場合は、エラー検出設定はオフにすることがよくあります。

上記パラメータをプログラムする方法や手順は、残念ながらどのマイコンでも使える標準化されたソースコードはありません。
マイコンによってハードウエア構成と設定内容が異なるためです。
面倒ですが使うマイコンのマニュアルを１つ１つ地道に確認しながら行います。

送受信のタイミング

最近のＵＡＲＴの使い方は、受け取る側の事情を考えずに（つまりタイミングを取らずに）送信側は任意に垂れ流しする使い方がほとんどです。
受信する側は、受信した１バイトを次の１バイトが来るまでに必ず何らかの処理を終わらせて備えていなければなりません。
つまり、受信側マイコンは、割り込みを使うなりして、後でデータを処理するためにバッファーに移すか、次のデータが来るまでに即時処理するようにプログラムを作ります。
どうしても、処理時間の問題などで、やり取りのタイミングを取る必要がある場合は、本データを送ってよいか確認用のコードを先にやり取りしてから本データを送る方法や、送受信マイコンのポートを相互に接続しハンドシェイク制御することになります。