L'UART, o Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, consente una comunicazione seriale affidabile tra dispositivi digitali. In primo luogo, converte i dati paralleli in forma seriale per la trasmissione. Quindi, il lato ricevente ricostruisce i dati in forma parallela. Per questo motivo, questa semplice interfaccia è ampiamente utilizzata nei sistemi di navigazione incorporati. I sistemi di navigazione inerziale, o INS, si basano sulla comunicazione in tempo reale con i sensori. Di conseguenza, l'UART rappresenta un metodo leggero ed efficiente per collegare le IMU ai processori.
A differenza di interfacce più complesse, l'UART non richiede una linea di clock dedicata. I dati vengono invece trasferiti utilizzando velocità di trasmissione configurabili e formati di framing standard. Ogni trasmissione comprende bit di inizio, dati, parità e stop. Questa struttura garantisce il rilevamento degli errori e la sincronizzazione tra i dispositivi. In pratica, i moduli INS generano grandi flussi di dati accelerometrici e giroscopici.
Velocità di trasmissione e velocità di uscita UART
La velocità di baud definisce il numero di simboli o bit al secondo trasmessi dall'UART. Un baud rate più elevato aumenta il throughput, essenziale per il trasferimento veloce dei dati IMU . Tuttavia, velocità più elevate rendono il segnale più sensibile al rumore e alla qualità della linea. La velocità di uscita dell'IMU determina la frequenza con cui il sensore genera dati di navigazione. Ad esempio, una IMU può emettere misure a 200 Hz o più. Per trasmettere questi dati in modo affidabile, la velocità di trasmissione UART deve essere scelta in modo da soddisfare il volume di dati del sensore più l'overhead del protocollo.
La lunghezza del cavo influisce direttamente sulle prestazioni dell'UART. I cavi più lunghi aumentano la capacità e la resistenza, che possono distorcere i segnali ad alte velocità di trasmissione. Di conseguenza, i cavi più corti consentono velocità di trasmissione più elevate, mentre quelli più lunghi possono richiedere velocità di trasmissione ridotte per mantenere l'integrità dei dati. Ad esempio, un baud rate di 115200 può funzionare in modo affidabile per diversi metri, ma le velocità superiori a 1 Mbps richiedono solitamente cavi molto corti e ben schermati.
Pertanto, gli ingegneri devono bilanciare questi tre parametri. Se un IMU ha una velocità di uscita elevata, è necessaria una velocità di trasmissione sufficientemente alta, ma la lunghezza del cavo deve rimanere breve per evitare perdite di dati. Al contrario, se è inevitabile un cablaggio più lungo, la riduzione della velocità di trasmissione o l'uso di interfacce di segnalazione differenziale, come RS-422 o RS-485, garantiscono 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 l'UART per un'integrazione semplice e robusta del sistema. Inoltre, l'interfaccia supporta un cablaggio flessibile e risorse hardware minime. È particolarmente efficace nelle applicazioni compatte o a basso consumo energetico. Inoltre, nel settore INS difesa e dell'industria aerospaziale, 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 i baud rate per adattarli alle velocità dei dati dei sensori. Ad esempio, le IMU ad alta velocità producono diversi kilobyte al secondo. Pertanto, l'interfaccia UART è in grado di 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 dell'UART migliora la prevedibilità nei sistemi embedded. Per migliorare l'integrità, i progettisti spesso combinano l'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, l'UART fornisce una soluzione comprovata per l'integrazione dei sensori INS .