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RUTILEA社内勉強会第8回 「シリアル通信」

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RUTILEA社内で定期的に行っている勉強会の第8回です.
第8回のテーマは”シリアル通信”です.

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RUTILEA社内勉強会第8回 「シリアル通信」

  1. 1. シリアル通信 RUTILEA勉強会 2020/02/21 八鳥孝志
  2. 2. 大まかな目標 • コンピュータ同士の通信の種類を知ること • 最近のコンピュータは大体シリアル通信をしていることを理解 すること • ArduinoやGRBLを扱う上でのシリアル通信の重要性を学ぶこと
  3. 3. 目次 • 身近な通信 • シリアル通信 と パラレル通信 • パラレル通信の問題 • シリアル通信の種類 • 実際の事例を交えて • まとめ
  4. 4. 身近な通信 • 身の回りの通信 Bluetooth,USB,WiFi, ラジオ などなど • もっと大きく捉えると... 会話や手紙も通信!
  5. 5. 目次 • 身近な通信 • シリアル通信 と パラレル通信 • パラレル通信の問題 • シリアル通信の種類 • 実際の事例を交えて • まとめ
  6. 6. シリアル通信 • Serial … 連続的な、ひと続きの • 一度に送受信するデータは1つ • シリアル通信のイメージ https://www.lineeye.co.jp/html/term_serialpara.html
  7. 7. パラレル通信 • Parallel… 平行の、(…と)平行して • 一度に複数の情報を送受信する • パラレル通信のイメージ https://www.lineeye.co.jp/html/term_serialpara.html
  8. 8. シリアル通信 • Serial … 連続的な、ひと続きの • 一度に送受信するデータは1つ • シリアル通信のイメージ こ ん に ち は 「こんにちは」 「こんにちは」
  9. 9. パラレル通信 • Parallel… 平行の、(…と)平行して • 一度に複数の情報を送受信する • パラレル通信のイメージ 「 สวัสดี ครับ 」 「 สวัสดี ครับ 」
  10. 10. パラレル通信 • Parallel… 平行の、(…と)平行して • 一度に複数の情報を送受信する • パラレル通信のイメージ 聖徳太子
  11. 11. シリアル通信とパラレル通信の比較 シリアル通信 パラレル通信 通信効率 悪い 良い 配線の数 少ない 多い 配線の複雑さ 複雑 単純 ただしパラレル通信には問題が… 漏話 スキュー
  12. 12. 目次 • 身近な通信 • シリアル通信 と パラレル通信 • パラレル通信の問題 • シリアル通信の種類 • 実際の事例を交えて • まとめ
  13. 13. パラレル通信の問題点 • 漏話 混線ともいう 近くの通信回線の通信内容が混じること 原因は電磁誘導など →ツイスト線,シールド線を用いる • スキュー 複数の回線のタイミングのズレ 回線の長さや素子の影響で発生 高速通信への障害 https://xtech.nikkei.com/it/article/lecture/20061220/257432/ https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%BC%8F%E8%A9%B1
  14. 14. 通信の目指すところ • データ通信速度 が最も重要 • そのほかには データの信頼性 回路設計の簡便さ 配線の数 などなど • スキュー 複数の回線のタイミングのズレ クロック周波数を上げれば上げる ほど回避が困難に クロック周波数を上げる (人で言うところの早口)
  15. 15. 目次 • 身近な通信 • シリアル通信 と パラレル通信 • パラレル通信の問題 • シリアル通信の種類 • 実際の事例を交えて • まとめ
  16. 16. まずは分類から… 全二重と半二重通信 • 一方向の通信=単向通信 • 双方向の通信=二重通信 半二重通信 送信と受信を切り替える イメージ)トランシーバー 全二重通信 送信と受信の回線が別にある イメージ)電話
  17. 17. まずは分類から… 同期式と非同期式通信 • クロックとデータの両方を送信=同期式通信 • 最初にクロックを合わせてデータのみを送信=非同期式通信 http://www.maroon.dti.ne.jp/koten-kairo/works/dsPIC/serial1.html
  18. 18. シリアル通信の種類 信号線 双方向性 同期方式 通信速度 接続形態 実際の用途 I2C通信 2本 半二重 クロック (同期式) 0.1 ~ 1 Mbps 1対多 デバイスー マイコン間 SPI通信 3~4本 全二重 クロック (同期式) 1 ~ 数 Mbps 1対多 デバイスー マイコン間 UART通信 1~2本 全二重 タイミング 信号(調歩 同期/非同期 式) 0.1 ~ 115kbps 1対1(一 部1対多) マイコンー マイコン間 https://qiita.com/Gri_Gra/items/b6f901b35d3917ffc580
  19. 19. シリアル通信の種類 • RS232C 昔使われていた規格 ピンが多いのは,送信要求や送信可能 を示すピンが存在するため 最大20kbps 電源電源は±5~15 V • USB(Universal Serial Bus) 非同期式通信 USB3.0 では5Gbps 絶賛活躍中 電源電圧は5V±10% プロトコルが厳格に決まっている
  20. 20. USBについて少し詳しく • ケーブルの長さは? USB2.0 最大5m USB3.0 最大3m • 転送速度は? USB2.0 最大480Mbps USB3.0 最大5Gbps →転送速度とケーブルの長さは トレードオフ →規格以上の長さでも通信可能だが, ノイズが大きくなるため, 不安定になる可能性がある.
  21. 21. 目次 • 身近な通信 • シリアル通信 と パラレル通信 • パラレル通信の問題 • シリアル通信の種類 • 実際の事例を交えて • まとめ
  22. 22. Arduinoはどうなってるの? • USB接続なのにCOMポート? USB-to-serial アダプタチップに よって通信が変換されている. ArduinoとPCはRS232のプロトコル の通信をしているが,途中でUSBプ ロトコルに変換-復元されている. OSからはRS232で接続されていると 認識される. COMポート Windows における,RS232Cポートの呼び方 ※GRBLも同様
  23. 23. Arduinoはどうなってるの? • センサの接続はどうするの? Arduinoに限らずマイコンではピン の数が限られている. →センサを複数つけるとすぐにピン が埋まる. I2CかSPIを使う I2C…占有するピンが少ない 遅い 例)センサによく使われる SPI…占有するピンが多い 速い 例)SDカードやLANなど • アナログセンサの場合は 一度デジタル変換する必要がある. ※I2C, SPI通信できるピン番号は決まっ ているので注意
  24. 24. I2C通信のケーブルを伸ばすと • I2Cでは信号線はHighにプル アップされていて,デバイ スがLowに落とすことで通 信 • 寄生容量によってL→Hの波 形がなまる • 寄生容量が速やかに充電さ れるようにプルアップ抵抗 を小さくする • 駆動電流に注意!! Arduinoは通常20mAまで バスバッファを使うと60mA https://www.macnica.co.jp/business/semiconductor/articles/analog_d evices/127585/
  25. 25. 目次 • 身近な通信 • シリアル通信 と パラレル通信 • パラレル通信の問題 • シリアル通信の種類 • 実際の事例を交えて • まとめ
  26. 26. まとめ • 通信にはたくさん種類がある • 現在その多くがシリアル通信である • I2C通信やUSBもその一種 • センサを使う開発では, →センサがアナログかデジタルか →ポートを一つづつ与えるのか,I2Cなどでバス接続するのか →ケーブルの長さはどのくらいか,バスバッファは必要か などに注意しましょう

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