UARTとは？非同期シリアル通信の基本と仕組み

UARTは、Universal Asynchronous Receiver Transmitterの略で、コンピュータと各種周辺機器との非同期シリアル通信を実現するための装置です。

電子機器同士がデータをやり取りするときに、送信側のパラレル信号をシリアル信号に変換し、受信側で再びパラレル信号に戻す役割を果たします。

シンプルな構造と安定した通信が特徴で、組み込みシステムや電子工作の現場で幅広く利用されております。

UARTを利用することで、デバイス間の情報交換が円滑になり、トラブルシューティングやデバッグ作業にも役立てられるため、IT分野における基本的な通信技術として重要な位置を占めています。

UARTの基本

UARTは、主にコンピュータと周辺機器間での非同期シリアル通信を実現するためのインターフェースです。

ハードウェア上の集積回路(IC)の機能として、データの送受信を制御し、シリアル通信とパラレル通信の間で変換を行います。

これにより、複数のデバイスが簡単にデータをやり取りできる仕組みが構築されます。

UARTの定義と役割

UARTとは「Universal Asynchronous Receiver Transmitter」の略であり、非同期通信環境においてデータの送受信を担うモジュールです。

役割は以下の通りです。

• 送信側のパラレルデータをシリアルデータに変換する
• 受信側のシリアルデータをパラレルデータに変換する
• 通信エラーの検出や、データの整合性をチェックする

これにより、UARTは組み込みシステムやPCと周辺機器間での信頼性の高い通信を担っていると認識されます。

非同期シリアル通信との位置付け

UARTは非同期通信の手法を採用しているため、送信側と受信側で正確なタイミングの同期を必要としません。

その代わりに、開始ビットから一定のビットレート(ボーレート)に基づいてデータが伝送されます。

この仕組みにより、各デバイスが独立して通信を開始できる柔軟性が実現されています。

シリアル通信の仕組み

シリアル通信は、データを1ビットずつ順次送信する方式です。

ここでは、UARTを利用する際のデータ伝送の基本原理と構成要素について詳しく解説します。

データ伝送の基本原理

UART通信では、データは一定のフォーマットに沿ってパケットとして送信されます。

このパケットは、通信の始まりと終わりを示すビットや、エラーチェック用のパリティビットにより構成され、信頼性のある通信が担保されます。

伝送フォーマットの構成

UART通信におけるデータパケットは、以下の要素から成り立ちます。

• 開始ビット
• データビット
• パリティビット(オプション)
• 停止ビット

それぞれのビットが通信内で特定の役割を果たし、通信の同期やエラー検出に寄与します。

開始ビット

開始ビットは、通信の開始を示す信号となります。

送信側がデータ送信を開始する際、まずこの開始ビットを送ることで受信側に対してデータ伝送が始まることを通知します。

これにより、受信側は正しいタイミングでデータの読み取りを開始できます。

データビット

データビットは、実際の情報が含まれる部分です。

一般的には、7ビットまたは8ビットの長さで構成され、各ビットがデータの一部を表現します。

データビットの並びが、文字コードや数値情報などの意味を持つ情報になります。

パリティビット

パリティビットは、エラーチェック機能を補助するために挿入されるオプションのビットです。

送信側は、データビットの内容に基づいてパリティ(偶数または奇数)を計算し、受信側は受信したデータのパリティを確認することでデータの誤りを検出できます。

停止ビット

停止ビットは、データフレームの終わりを知らせる役割を持ちます。

送信側は、データ送信完了の合図としてこの停止ビットを挿入するため、受信側は停止ビットの検出によりデータパケットの終わりを把握できます。

ボーレートとタイミング設定

ボーレートは、1秒間に伝送されるビット数を示す通信速度の指標です。

一般的な値としては、9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bpsなどが利用されます。

送信側と受信側で同じボーレートを設定することが、正確なデータ交換を実現するために非常に重要です。

タイミング設定がずれると、データの読み取りミスや通信エラーが発生する可能性があるため、慎重に設定する必要があります。

動作プロセスの流れ

UART通信の動作プロセスは、データの送信と受信においてシンプルながらも確実な手順で進行します。

ここでは、送受信の各処理について解説します。

送信処理の概要

UARTの送信処理は、以下の手順で行われます。

• 送信データをパラレルからシリアル形式に変換する
• 開始ビットを送信して通信の開始を知らせる
• 連続するデータビットを順次送信する
• 必要に応じてパリティビットを追加する
• 停止ビットを送信してデータフレームの終了を知らせる

この流れにより、送信側は効率的にデータを順次送信できる仕組みを構築しています。

受信処理の概要

受信処理は、送信側と逆の手順で進行されます。

主な流れは以下の通りです。

• 開始ビットの検出により、データ受信のタイミングを同期する
• 受信したシリアルデータをビット単位で受け取り、パラレルデータに変換する
• データビットの値を読み取り、場合によってパリティチェックを実行する
• 停止ビットの検出により、正しいデータパケットの終端を確認する

これにより、受信側も信頼性の高いデータの取得が保証されます。

ハードウェア構成と接続方法

UART通信を利用する際には、ハードウェアの構成や回路設計に注意が必要です。

各デバイス間の正確な接続が、円滑な通信に不可欠です。

対応デバイスとモジュールの例

UART通信を活用するデバイスやモジュールは、以下のようなものがあります。

• マイコンボード(例：Arduino、Raspberry Pi)
• 通信モジュール(例：RF通信モジュール)
• PCと組み込み機器の接続インターフェース

各デバイスは、UARTポートを備えており、シリアル通信が容易に行えるよう設計されています。

回路設計上の留意点

回路設計にあたっては、以下の点に注意が必要です。

• ボーレートや通信速度に合わせたタイミング設定の確認
• 電圧レベルの互換性(例えば、3.3Vと5Vのデバイス間の調整)
• ノイズ対策として、シールドケーブルやコンデンサの利用
• 接続端子の正確な対応(送信と受信のクロス接続)

これらの注意点を守ることで、安定したUART通信が確立されます。

設定パラメータと通信の安定性

UART通信が正しく機能するためには、各設定パラメータの適切な選択とエラー検出機構の整備が大切です。

ボーレート、パリティ、ビット長の選択

通信パラメータの設定は、システム全体の性能に影響を与えます。

主なパラメータは以下の通りです。

• ボーレート：各デバイス間で同じ通信速度を保つ必要がある
• パリティ：偶数、奇数、またはなしの選択によりエラーチェックが可能
• データビットのビット長：一般的には7ビットまたは8ビットが使用される
• 停止ビット：1ビットまたは2ビットの設定が可能

これらのパラメータは、接続するデバイスの仕様に応じて調整され、通信の精度と安定性を確保します。

エラー検出と通信品質の維持方法

UART通信では、エラー検出機能が信頼性を高めるために重要な役割を果たします。

エラー検出の方法としては、主に以下の項目が挙げられます。

• パリティビットによるエラーチェック
• フレーミングエラーの確認
• ボーレートの監視による同期ずれの検出

また、外部ノイズ対策として、電源供給の安定化やシールド対策を講じることにより、通信品質の向上が期待できる。

これらの対策により、UART通信のエラー発生率を最小限に抑える工夫がなされる。

まとめ

本記事では、UARTの基本からシリアル通信の仕組み、動作プロセス、ハードウェア構成、そして設定パラメータに至るまで、全体的な流れを解説した。

UARTは非同期通信に特化したシンプルながら基本的な通信インターフェースであり、送受信の各工程において確実なデータ伝送とエラーチェックを実現している。

正確なパラメータの設定とハードウェアの接続を心がけることで、信頼性の高い通信システムの構築が可能になる。