UART o Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, consente una comunicazione seriale affidabile tra dispositivi digitali. Innanzitutto, converte i dati paralleli in forma seriale per la trasmissione. Quindi, il lato ricevente ricostruisce nuovamente i dati in forma parallela. Per questo motivo, la semplice interfaccia è ampiamente utilizzata nei sistemi di navigazione embedded. I sistemi di navigazione inerziale, o INS, si basano sulla comunicazione dei sensori in tempo reale. Di conseguenza, un UART fornisce un metodo leggero ed efficiente per collegare le IMU ai processori.
A differenza delle interfacce più complesse, l'UART non richiede una linea di clock dedicata. Invece, i dati vengono trasferiti utilizzando velocità di trasmissione configurabili e formati di framing standard. Ogni trasmissione include bit di inizio, dati, parità e fine. Pertanto, questa struttura garantisce il rilevamento degli errori e la sincronizzazione tra i dispositivi. In pratica, i moduli INS generano grandi flussi di dati dell'accelerometro e del giroscopio.
Velocità di trasmissione UART e frequenza di output
La velocità di trasmissione definisce quanti simboli o bit al secondo UART trasmette. Una velocità di trasmissione più elevata aumenta la velocità di trasmissione, essenziale per il trasferimento rapido dei dati IMU. Tuttavia, velocità più elevate rendono anche il segnale più sensibile al rumore e alla qualità della linea. La frequenza di output dell'IMU determina la frequenza con cui il sensore genera dati di navigazione. Ad esempio, una IMU può emettere misurazioni a 200 Hz o superiore. Per trasmettere questi dati in modo affidabile, la velocità di trasmissione UART deve essere scelta per adattarsi al volume di dati del sensore più l'overhead del protocollo.
La lunghezza del cavo influisce direttamente sulle prestazioni UART. I cavi più lunghi aumentano la capacità e la resistenza, il che può distorcere i segnali ad alte velocità di trasmissione. Di conseguenza, i cavi più corti consentono velocità di trasmissione più elevate, mentre i cavi più lunghi possono richiedere velocità di trasmissione ridotte per mantenere l'integrità dei dati. Ad esempio, una velocità di trasmissione di 115200 baud può funzionare in modo affidabile su diversi metri, ma velocità superiori a 1 Mbps di solito richiedono cavi molto corti e ben schermati.
Pertanto, gli ingegneri devono bilanciare questi tre parametri. Se una IMU ha un'elevata frequenza di output, è necessaria una velocità di trasmissione sufficientemente elevata, ma la lunghezza del cavo deve rimanere breve per evitare la perdita di dati. Viceversa, se un cablaggio più lungo è inevitabile, la riduzione della velocità di trasmissione o l'utilizzo di interfacce di segnalazione differenziale, come RS-422 o RS-485, garantisce una comunicazione stabile.
Di conseguenza, il canale UART fornisce queste informazioni direttamente al computer di navigazione. La latenza è minima e il protocollo richiede un overhead molto basso. Pertanto, gli ingegneri preferiscono UART per un'integrazione del sistema semplice e robusta. Inoltre, l'interfaccia supporta un cablaggio flessibile e risorse hardware minime. È particolarmente efficace in applicazioni compatte o a basso consumo energetico. Inoltre, negli INS per la difesa e l'aerospazio, l'affidabilità e la stabilità sono requisiti fondamentali.
UART garantisce un flusso di dati continuo senza complicati stack di comunicazione. Inoltre, gli sviluppatori possono ottimizzare le velocità di trasmissione per adattarle alle velocità dei dati del sensore. Ad esempio, le IMU ad alta velocità emettono diversi kilobyte al secondo. Pertanto, l'interfaccia UART può gestire questa richiesta se configurata correttamente.
Nel frattempo, le tecniche di controllo del flusso impediscono la perdita di dati in condizioni di carico elevato. Anche i buffer hardware o software gestiscono in modo efficiente i burst di dati asincroni. A sua volta, il comportamento deterministico di UART migliora la prevedibilità nei sistemi embedded. Per migliorare l'integrità, i progettisti spesso combinano UART con protocolli di livello superiore. Di conseguenza, il controllo degli errori e il framing dei pacchetti aggiungono robustezza allo scambio di dati di navigazione. Questo approccio garantisce una comunicazione precisa in ambienti operativi difficili.
In conclusione, UART fornisce una soluzione collaudata per l'integrazione dei sensori INS.