UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter：汎用非同期送受信機）は、デジタル機器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築します。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、高速なIMUデータ転送に不可欠です。ただし、速度が速いほど、信号がノイズや回線品質の影響を受けやすくなります。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。たとえば、IMUは200 Hz以上の頻度で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とプロトコルのオーバーヘッドに対応できるようにUARTのボーレートを選択する必要があります。
ケーブルの長さは、UARTのパフォーマンスに直接影響します。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、ケーブルが短いほどボーレートを高くでき、ケーブルが長いほどデータ整合性を維持するためにボーレートを下げる必要がある場合があります。たとえば、115200ボーレートは数メートルにわたって確実に動作する可能性がありますが、1 Mbpsを超えるレートでは、通常、非常に短く、適切にシールドされたケーブルが必要です。
したがって、エンジニアはこれらの3つのパラメーターのバランスを取る必要があります。IMUの出力レートが高い場合は、十分に高いボーレートが必要ですが、データ損失を回避するためにケーブルの長さを短くする必要があります。逆に、長いケーブル配線が避けられない場合は、ボーレートを下げるか、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と、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ーに直接配信します。遅延は最小限であり、プロトコルに必要なオーバーヘッドは非常に少なくなっています。したがって、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。これは、コンパクトまたは電力制約のあるアプリケーションで特に効果的です。また、防衛および航空宇宙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。たとえば、高レートIMUは1秒あたり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、この要求を処理できます。
一方、フロー制御技術は、高負荷状態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ーも、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の決定論的な動作により、組み込みシステムの予測可能性が向上します。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。その結果、エラーチェックとパケットフレーミングにより、ナビゲーションデータ交換の堅牢性が向上します。このアプローチにより、困難な運用環境下でも正確な通信が保証されます。
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。