UART・汎用非同期送受信回路

UART・汎用非同期送受信回路とは？

汎用非同期送受信回路（UART）は、デジタルデバイス間のデータ交換を可能にするハードウェア通信インターフェース半導体です。UARTは組み込みシステム、IoTデバイス、産業機器で広く使用されており、シンプルさと効率性が最優先されるシナリオで信頼性の高い通信を実現します。日本では、UARTはロボット工学、自動車システム、スマート駅技術などの分野で不可欠です。

UARTの仕組み

UARTは、マイクロコントローラからのパラレルデータをシリアルデータに変換して送信し、その逆も行います。このプロセスでは、データをパケットに分解し、ビットごとに送信し、受信側で再構成します。UARTは外部クロック信号を必要とせず、非同期で動作するため、設計と統合が簡素化されます。

UART通信の主要コンポーネント：

1. 送信と受信：UARTはTx（送信）ピンを介してデータを送信し、Rx（受信）ピンを介してデータを受信します。この2線式システムにより、複雑さが最小限に抑えられます。
2. データ形式：データはフレームで送信され、通常はスタートビット、データビット、オプションのパリティ ビット、ストップビットで構成されます。これらの要素により、正確な通信が保証されます。
3. ボーレート：効果的なデータ転送を行うには、両方のデバイスがボー レートと呼ばれる通信速度に同意する必要があります。

USB UART は一般的なバリアントで、古いシリアル通信プロトコルと最新の USB インターフェイスを橋渡しします。組み込みデバイスをコンピューターやその他の周辺機器に接続するために広く使用されています。

UART の波形と信号

UART システムでは、データは高電圧レベルと低電圧レベルを切り替える電気信号として表されます。これらの UART 波形は、送信されるバイナリ データに対応します。たとえば、高電圧はバイナリの「1」を表し、低電圧はバイナリの「0」を表します。これらの波形を分析することは、通信の問題をデバッグしたり、適切な動作を確認したりする上で不可欠です。

UART の種類

UART には、特定の通信ニーズを満たすためにさまざまな種類があります。

• 標準 UART：マイクロコントローラなどのデバイスで単純なシリアル通信に使用される基本的な UART です。
• 拡張 UART：高速アプリケーションでよりスムーズにデータを転送するための、より大きな FIFO バッファなどの追加機能を備えています。
• USB UART：従来の UART インターフェイスと USB ポート間のブリッジを提供し、最新のデバイスをレガシーシステムに接続するのに最適です。
• Bluetooth UART：ワイヤレス通信を可能にします。IoT やポータブルデバイスでよく使用されます。
• RS-232 UART：堅牢なシリアル通信のために、一部の産業システムで現在も使用されているレガシー スタンダードです。

RS で利用できる一般的なサポート規格は次のとおりです：IrDA、RS232、RS485、SIE。

Arduinoでの UART の使用

UART はArduino プロジェクトに不可欠な要素であり、センサ、モジュール、その他の周辺機器との通信を簡素化します。たとえば、USB UART を使用すると、Arduino ボードをコンピューターに接続してプログラミングやデータ ロギングを行うことができます。多くの Arduino ボードには UART が組み込まれているため、初心者でも上級愛好家でも簡単に使用できます。

UART の利点

UART には、電子通信の定番となるいくつかの利点があります。

• シンプルさ：UART は外部コンポーネントが最小限で済むため、設計の複雑さが軽減され、実装が容易になります。
• 汎用性：センサからコンピューターまで、幅広いデバイスと互換性があり、システム間でシームレスな統合が可能です。
• コスト効率：UART は信頼性の高い通信を実現する手頃なソリューションであり、趣味のプロジェクトから産業用システムまで、さまざまなアプリケーションに適しています。

UART の選択方法

プロジェクトに UART を選択するときは、次の要素を考慮してください。

• ボーレートのサポート：UART がアプリケーションに必要なボーレートで動作できることを確認します。
• バッファ サイズ：予想されるデータ量を遅延なく処理できる十分なバッファ容量を持つ UART を選択します。
• インターフェイス タイプ：最新のアプリケーションでは、USB UART が柔軟性と使いやすさを提供します。
• 電力要件：低電力 UART は、ポータブル デバイスやエネルギー効率の高いシステムに最適です。
• 互換性：UART がマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサと互換性があることを確認します。

UART の用途

UART は汎用性が高く、さまざまな業界のさまざまな用途で使用されています。

• 産業オートメーション：製造装置のコントローラと識別センサ間の通信を容易にします。
• 自動車システム：エンジン制御ユニットやダッシュボードディスプレイなどのシステムで信頼性の高いデータ転送を可能にします。
• IoTデバイス：スマートホームガジェット、ウェアラブル、近接センサなで効率的な通信を提供します。
• 民生用電子機器：キーボード、マウス、ゲーム コントローラなどの周辺機器をホスト デバイスに接続します。
• ロボット工学：UART は、日本の技術界で重要な分野である自律型産業用ロボットのモーター制御とセンサ データ処理に使用されます。

UART メーカー

評判の良いメーカーが数社、さまざまな用途向けに高品質の UART を製造しています。以下は、国際ブランドと日本ブランドの組み合わせです。

• EXAR：産業用電子機器や民生用電子機器に適した、大容量バッファや低消費電力などの高度な機能を備えた UART を提供しています。
• FTDI Chip：USB UARTソリューションで有名で、デバッグや開発アプリケーションで広く使用されています。
• Maxim Integrated：ポータブル システムや組み込みシステム向けにカスタマイズされた多用途の UART を提供しています。
• MaxLinear：産業および商業環境での高速通信用 UART を専門としています。
• NXP：効率的な設計のためにマイクロコントローラに統合された UART を提供する世界的リーダー。
• Texas Instruments：自動車および産業システムで優れたパフォーマンスを発揮する堅牢な UART で知られています。

UART はデジタル通信の要であり、業界を超えてデバイスをシンプルかつ確実に接続します。消費者向けガジェットから最先端のロボットまで、さまざまなアプリケーションで幅広く使用されていることから、特に日本の革新的な市場において、テクノロジーの進歩における UART の役割が際立っています。

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