UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter：汎用非同期送受信機）は、デジタルデバイス間の信頼性の高いシリアル通信を可能にします。まず、送信のためにパラレルデータをシリアル形式に変換します。次に、受信側でデータを再びパラレル形式に再構成します。そのため、このシンプルなインターフェースは、組み込みナビゲーションシステムで広く使用されています。慣性航法システム（INS）は、リアルタイムのセンサー通信に依存しています。したがって、UARTは、IMUをプロセッサに接続するための軽量で効率的な方法を提供します。
より複雑なインターフェースとは異なり、UARTは専用のクロックラインを必要としません。代わりに、データは、構成可能なボーレートと標準のフレーミング形式を使用して転送されます。各送信には、スタートビット、データビット、パリティビット、ストップビットが含まれます。したがって、この構造により、デバイス全体でのエラー検出と同期が保証されます。実際には、INSモジュールは、加速度計とジャイロスコープからの大量のデータストリームを生成します。
UARTのボーレートと出力レート
ボーレートは、UARTが1秒あたりに送信するシンボルまたはビット数を定義します。ボーレートが高いほどスループットが向上し、これは高速なIMUデータ転送に不可欠です。しかし、高速化すると信号がノイズや回線品質に対してより敏感になります。IMUの出力レートは、センサーがナビゲーションデータを生成する頻度を決定します。例えば、IMUは200 Hz以上の測定値を出力する場合があります。このデータを確実に送信するには、センサーのデータ量にPlusプロトコルオーバーヘッドを考慮してUARTボーレートを選択する必要があります。
ケーブル長はUARTの性能に直接影響します。ケーブルが長くなると、静電容量と抵抗が増加し、高ボーレートで信号が歪む可能性があります。その結果、短いケーブルはより高いボーレートを可能にしますが、長いケーブルはデータ整合性を維持するためにボーレートを低減する必要がある場合があります。例えば、115200ボーレートは数メートルにわたって確実に機能する可能性がありますが、1 Mbpsを超えるレートは通常、非常に短く、十分にシールドされたケーブルを必要とします。
したがって、エンジニアはこれら3つのパラメータのバランスを取る必要があります。IMUが高い出力レートを持つ場合、十分に高いボーレートが必要となりますが、データ損失を避けるためにケーブル長は短く保つ必要があります。逆に、より長いケーブル配線が避けられない場合、ボーレートを低減するか、RS-422やRS-485などの差動信号インターフェースを使用することで、安定した通信が保証されます。
その結果、UARTチャネルはこの情報をナビゲーションコンピュータに直接配信します。レイテンシは最小限であり、プロトコルは非常に低いオーバーヘッドしか必要としません。このため、エンジニアはシンプルで堅牢なシステム統合のためにUARTを好みます。さらに、このインターフェースは柔軟な配線と最小限のハードウェアリソースをサポートします。コンパクトなアプリケーションや電力制約のあるアプリケーションで特に効果的です。加えて、防衛および航空宇宙分野のINSでは、信頼性と安定性が重要な要件です。
UARTは、複雑な通信スタックなしで継続的なデータフローを保証します。さらに、開発者はセンサーのデータレートに合わせてボーレートを最適化できます。例えば、高レートのIMUは毎秒数キロバイトを出力します。したがって、UARTインターフェースは正しく構成されていれば、この要求に対応できます。
一方、フロー制御技術は高負荷条件下でのデータ損失を防ぎます。ハードウェアまたはソフトウェアバッファも、非同期データバーストを効率的に管理します。その結果、UARTの決定論的な動作は組み込みシステムの予測可能性を向上させます。整合性を高めるために、設計者はUARTをより高レベルのプロトコルと組み合わせることがよくあります。したがって、エラーチェックとパケットフレーミングがナビゲーションデータ交換に堅牢性を加えます。このアプローチは、困難な運用環境下でも正確な通信を保証します。
結論として、UARTはINSセンサー統合のための実績のあるソリューションを提供します。
