マイコン間のUART通信距離 – PureHertz Laboratory

マイコン間のシリアル通信を、ドライバICなしで少ない配線数で実現できないかと検討しており、UART通信の通信可能距離を測定してみました。

UART通信¹は、通常単一機器内のデバイス間通信で使われ、想定される通信距離はせいぜい数10 cmとのことです。RS232Cに変換すれば規格上15 mまで距離が伸びますが、ドライバICが必要になります。設計中回路のスペースの都合で、できればドライバICを使わずに済ませたいです。

セットアップ

配線

Arduino Nano Every	D-sub 9ピンケーブル	Arduino UNO R3
TX	1	RX
RX	3	TX
GND	2,4	GND

使用するD-subケーブルは、ツイストペアケーブルを使ったもので (1,2) と (3,4) がペアになっています。信号とGNDをペアにすることで、ノイズに強くなって通信距離が延びることを期待。手元にあったマイコンがUNO R3とNano Everyだったので、この2つを使っています。KB2040もありましたが、UNOとNano Everyが5 Vなのに対してKB2040は3.3Vなので、今回は出番なし。設計中のマイコン回路は5 Vで動かす予定なので、通信距離も5 Vでテストします。

手順

両マイコンボードに後述する実験用コードを書き込み、まずは短い配線で正しくコードが動くかテストします。問題なければ、手元にあるD-subケーブル（長さ0.3 m, 1.5 m, 3.0 m）を使って通信距離をテストします。

実験用コード

Nano EveryからUltra soul!を送り、それを受け取ったらUnoからHi!!を返すようにします。Nano EveryはPCともシリアル通信をして、送る信号と受け取る信号をPC上に表示します²。baudrateを9600, 19200, 38400, 115200といった具合に順に大きくしてコンパイルし、通信できるかどうかを確認します。

Nano Every用

const long baudrate = 9600;  // テストbaud rateの設定

void setup() {
  Serial.begin(115200);  // PCとのシリアル通信の初期化
  Serial1.begin(baudrate);  // TX/RX端子のUART通信の初期化
}

void loop() {
  Serial.println("Ultra soul!");  // PCに表示
  Serial1.println("Ultra soul!");  // Unoへの送信
  delay(1500);

  // 受信データが存在する場合にwhileに入る
  while (Serial1.available() > 0) {
    Serial.println(Serial1.readStringUntil("\n"));  // 受診したデータを改行文字まで読みPCに送信
  }

  delay(500);
}

Uno R3用

const long baudrate = 9600;  // テストbaud rateの設定

void setup() {
  Serial.begin(baudrate);  // TX/RX端子のUART通信の初期化
}

void loop() {
  // 受信データが存在する場合にwhileに入る
  while (Serial.available() > 0) { 
    String recieved = Serial.readStringUntil("\n");  // 受診したデータを改行文字まで読み
    recieved.trim();  // 不要な空白、改行文字を削除
    // 受信データが"Ultra soul!"に一致する場合に"Hi!!"をNano Everyに返信
    if (recieved == "Ultra soul!") {
      Serial.println("Hi!!");
    }
  }
}

落とし穴

UART通信のbaud rateを変数baudrateで設定しています。Serial.begin()の引数がlong型を取るのに対して、当初baudrateをint型で宣言してしまい、19200 bpsまでしか正しく動作しませんでした。int型は-32768から32767までしか表せず、38400 bpsなどを設定することができなかったというわけです。

結果

下の動画は通信の様子です。Ultra soul!とHi!!のテンポが一定でないのは、録画側の問題のようです。

9600 bpsから2 Mbpsまで試して、通信できたかどうかを示します。手元にオシロスコープが無かったので、信号波形がどのように歪むかまでは確認していません。

ケーブル長 (m)	9600 bps	19200 bps	38400 bps	115200 bps	1 Mbps	2 Mbps
0.3	OK	OK	―	―	―	―
1.5	OK	OK	OK	OK	―	―
3.0	―	―	―	OK	OK	NG

上述の落とし穴でハマっていたのもあって、試した長さと速度の組み合わせが規則的ではありませんが、とりあえず上のような結果でした。OKだった条件より短いケーブル、遅い通信速度なら問題ないはずです。1.5 mや0.3 mのケーブルで2 Mbpsを試すのを忘れましたが、実際に使うときは速くても115200 bpsくらいにする予定なので問題ないです。

意外と長いケーブルでも問題なく通信できました。

参考資料

Footnotes

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）は調歩同期式シリアル通信のひとつ。規格ではなく、本来はシリアル信号をパラレル信号に変換したりその逆を行ったりするための集積回路のこと。RS-232Cは電圧などを規定した物理層の規格で、通信方式自体はUARTと同じ。↩︎
Uno R3はTX, RX端子のシリアル通信とPCとのシリアル通信が同じ信号なので、他のマイコンとPCとの通信を同時に行うと予期せぬ挙動をする恐れがあります。Nano Everyは、PCとの通信とTX, RX端子の通信は独立に動きます。Uno側でソフトウェアシリアルを使うという手もありますが、今回はNano EveryをPCに接続する構成にします。↩︎