マイコン間(ロボット内部)通信方式のまとめ
イントロ
ロボット内部用の通信よくわからん．となったのでよく聞く方式をまとめてみました．
基本的に物理層とデータリンク層の話のつもりです．もっとも，OSI参照モデルがそもそもネットワーク通信の話なので，マイコン間通信に当てはめていいのか微妙ですけども．
基礎知識
いわゆるキーワードです．
- パラレル通信：1byte(8bit)の情報を送るのに8本の信号線を同時に使う方式．8人がそれぞれ同時に旗を上げ下げするような感じ．
- シリアル通信：1byte(8bit)の情報を送るのに1本の信号線をなんども使う方式．1人がリズムに合わせて旗を上げ下げするような感じ．
- 同期式シリアル通信: 同期信号に合わせて通信する方式 (wiki)．送り手と受け手が同じメトロノームの音に合わせて旗を上げ下げするような感じ
- 非同期(調歩同期)式シリアル通信：あらかじめ通信のタイミングを決めて通信する方式．送り手と受け手がそれぞれ同じリズムの別々のメトロノームを見ながら旗を上げ下げするイメージ．
- 差動式信号：1つの信号を2本の信号線に乗った2つの信号の差として出す方式．ノイズに強い．
- 半二重通信：送信と受信のどちらかに切り替えながら行う通信．トランシーバーみたいなもの．
- 全二重通信：送信と受信を同時に行える通信．電話みたいなもの．
I2C
1対多の通信を2本の信号線で行う同期式シリアル通信 (wiki)．GroveやQwiic などのモジュールで採用されている人気の通信方式．ノイズに弱いので同一基板上のIC間の通信が基本的な使い方．
Slave IC側で通信中に問題が生じると，I2C通信全体が止まる恐れがある．
SPI
1対多(n)の通信を(3+n)本の信号線で行える同期式シリアル通信 (wiki)．n本の信号線のSSを切り替えることでSlave ICを切り替えることができる．送信用(MOSI)と受信用(MISO)の専用線がある．ノイズに弱いので同一基板上のIC間の通信が基本的な使い方．I2Cよりも高速に通信できる傾向がある．
UART/USART
本来はシリアル信号をパラレル信号にしたり，同期式シリアル信号を非同期式シリアル信号に変換するICのこと(Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter)．
Arduino においては TX ピンと RX ピンからの信号をUARTを介してUSBに変換してPCと通信する(Serialクラスを使用)．UART と Serial が本来の意味とはズレているので非常にややこしい．
USB2.0
D+とD-の2つの信号線を使った差動信号を用いた半二重非同期通信 (wiki)．PCとの通信で非常によく使われている規格．マイコンから使う場合は基本的にUSB-シリアル変換器を使う．ハブをかませない場合は1対1通信になる．
USB 3.2 gen2
2連の全二重非同期通信．TX+, TX-, RX+, RX- のセットを2つ持った，パラレルにシリアル通信を行う方式．USBと名前がついているがUSB2.0とは物理的に別物．
Ethernet
いわゆるLANケーブルに使われている規格．ひとくちにEthernetといっても，実はさらに細かい仕様に分かれている（イーサネット仕様 ）．8P8C(RJ-45)コネクタを使っているものが主流で，この場合は．TX+, TX-, RX+, RX- のセットを1つ持った全二重非同期通信となる．ハブをかませない場合は1対1通信になるが，大抵はハブ(ルーター)を入れることでN対Nの通信になる．
CAN
Controller Area Network という CANH と CANL の2つの信号線を使った差動信号を用いた半二重非同期通信．自動車用に設計された耐ノイズ性に優れた規格．通信速度に対して距離と接続数はトレードオフの関係にある．N対Nの通信ができる．マイコンから使う場合は基本的にCANトランシーバーを使う．
RS485
EIA-485とも呼ばれる，2つの信号線を使った差動信号を用いた半二重非同期通信．耐ノイズ性に優れた産業機器向けの規格．Dynamixel などで採用されている．N対Nの通信ができる．
Discussion