XBEEでのUARTの通信誤差を検証

はじめに

Digi International社のXBeeがとても扱いやすい（流通・価格・情報）、便利な無線モジュールです。 しかし、UARTの通信レートがなんだかおかしいとのことだったので、調べてみました。

実験としては、正確さに若干問題がありますが、参考程度にお願いします。

XBeeは、802.15.4対応版とMeshNet用のSeries 2の2種類があります。 本実験では、802.15.4の通常版と電波強度が強いPro版、Seriese 2の通常版の3種類を実験しています。 802.15.4版とSeriese 2を明確に分けるために、シリーズ1 と シリーズ1 Pro、シリーズ2の3種類の名前で記述していますのでご注意ください。

実験結果概要

本実験は、通信レートの誤差(エラーレート)を求め、使用する上での参考になればと考えています。 詳細は、下記の実験結果をご参照ください。

シリーズ1とシリーズ1 Pro について

• 1200 baud ～ 38400 baud は、誤差 0.16% 以下である。
• 57600 baud は、誤差 2.18%前後である。
• 115200 baud は、111111 baud （誤差3.55%）である。 これは、データシートに注記されている。

シリーズ1は、57600 baud と 115200 baud を通常使用するには、誤差が大きいため注意が必要である。

シリーズ2について

• 1200 baud ～ 38400 baud は、誤差 0.08% 以下である。
• 57600 baud は、誤差 0.12%前後である。
• 115200 baud は、誤差 0.14%前後である。

このことから、シリーズ2のUARTは、高速でも十分に使用できる誤差範囲である。

シリーズ1とシリーズ1 Pro の非標準通信レートについて

ターミナル経由で、非標準通信レートが設定できることから、設定可能な通信レートを少し調べてみました。

• 125kbaud (設定値 0x1E848) は、誤差 0.01%である。
• 200kbaud (設定値 0x30D40) は、誤差 0.02%である。
• 250kbaud (設定値 0x3D090) は、誤差 0.07%である。

non-standardの通信レートは、誤差が少ないためマイコンによっては、選択肢として良いと思われる。

また、115200baudを非標準通信レートで設定しても、111111baudになるので注意。（データシートには書かれていない。）

実験結果

通信速度 [baud]	誤差 [%]
1200	0.08
2400	0.08
4800	0.16
9600	0.03
19.2k	0.01
38.4k	0.16
57.6k	2.18
115.2k	3.55

通信速度 [baud]	誤差 [%]
1200	0.04
2400	0.08
4800	0.16
9600	0.16
19.2k	0.16
38.4k	0.16
57.6k	2.12
115.2k	3.55
125k	0.01
200k	0.02
250k	0.07

通信速度 [baud]	誤差 [%]
1200	0.04
2400	0.08
4800	0.03
9600	0.03
19.2k	0.03
38.4k	0.03
57.6k	0.12
115.2k	0.14

実験環境

実験装置

• Digi社 Xbee 802.15.4版 2台
• Digi社 Xbee 802.15.4版 Pro 1台
• Digi社 Xbee seriese 2 2台
• Spark fun社 xbee エクスプローラ
• SwitchScience社 XBeeピッチ変換基板とソケットのセット
• 抵抗器 10kΩ 2個 (Rx プルアップ・Tx プルダウン)
• ブレッドボード
• PC (windows7)
• 安定化電源 Agilent E3642A (8V 5A)
• オシロスコープ Tecktronix MSO3014 (100MHz、2.5GS/s)

実験方法

環境

• PCとXBeeを接続します。 （PC側環境）
• 通信レートを変更した XBee に電源とオシロスコープを接続します。 (観測側環境)

手順

1. 通信レートを X-CTU を用いて設定する。(1200～115200 baud)
2. 観測側環境に実験用 XBee を設定する。
3. PC側環境から、0x55 を送信する。(2進数 01010101 となる。スタートビットを入れて1010101となるのでこの値を使用した。)
4. 観測側のUARTに出力されるので、オシロスコープで観測する。
5. オシロスコープが自動計算してくれるパルス幅を元に実通信レートを計算する。

実験結果

通信測定結果

通信実験の結果を、オシロスコープのスクリーンショットとともに掲載します。

シリーズ1 1200baud

• 通信レート：1200 [baud]
• 理論パルス幅：833.3 [us]
• 実通信レート：1199.0 [baud]
• 実パルス幅：834.0 [us]
• 通信誤差：0.08 [%]

シリーズ1 2400baud

• 通信レート：2400 [baud]
• 理論パルス幅：416.7 [us]
• 実通信レート：2398.1 [baud]
• 実パルス幅：417.0 [us]
• 通信誤差：0.08 [%]

シリーズ1 4800baud

• 通信レート：4800 [baud]
• 理論パルス幅：208.3 [us]
• 実通信レート：4807.7 [baud]
• 実パルス幅：208 [us]
• 通信誤差：0.16 [%]

シリーズ1 9600baud

• 通信レート：9600 [baud]
• 理論パルス幅：104.2 [us]
• 実通信レート：9596.9 [baud]
• 実パルス幅：104.2 [us]
• 通信誤差：0.03 [%]

シリーズ1 19200baud

• 通信レート：19200 [baud]
• 理論パルス幅：52.08 [us]
• 実通信レート：19198 [baud]
• 実パルス幅：52.09 [us]
• 通信誤差：0.01 [%]

シリーズ1 38400baud

• 通信レート：38400 [baud]
• 理論パルス幅：26.04 [us]
• 実通信レート：38462 [baud]
• 実パルス幅：26.00 [us]
• 通信誤差：0.16 [%]

シリーズ1 57600baud

• 通信レート：57600 [baud]
• 理論パルス幅：17.36 [us]
• 実通信レート：58858 [baud]
• 実パルス幅：16.99 [us]
• 通信誤差：2.18 [%]

シリーズ1 115200baud

• 通信レート：115200 [baud]
• 理論パルス幅：8.681 [us]
• 実通信レート：111111 [baud]
• 実パルス幅：9.0 [us]
• 通信誤差：3.55 [%]

111111 baud になることはデータシートに注記されています。（教えてくださった皆さんありがとうございます。）

シリーズ1 Pro 1200baud

• 通信レート：1200 [baud]
• 理論パルス幅：833.3 [us]
• 実通信レート：1200.5 [baud]
• 実パルス幅：833.0 [us]
• 通信誤差：0.04 [%]

シリーズ1 Pro 2400baud

• 通信レート：2400 [baud]
• 理論パルス幅：416.7 [us]
• 実通信レート：2398.1 [baud]
• 実パルス幅：417.0 [us]
• 通信誤差：0.08 [%]

シリーズ1 Pro 4800baud

• 通信レート：4800 [baud]
• 理論パルス幅：208.3 [us]
• 実通信レート：4807.7 [baud]
• 実パルス幅：208 [us]
• 通信誤差：0.16 [%]

シリーズ1 Pro 9600baud

• 通信レート：9600 [baud]
• 理論パルス幅：104.2 [us]
• 実通信レート：9615.4 [baud]
• 実パルス幅：104.0 [us]
• 通信誤差：0.16 [%]

シリーズ1 Pro 19200baud

• 通信レート：19200 [baud]
• 理論パルス幅：52.08 [us]
• 実通信レート：19231 [baud]
• 実パルス幅：52.00 [us]
• 通信誤差：0.16 [%]

シリーズ1 Pro 38400baud

• 通信レート：38400 [baud]
• 理論パルス幅：26.04 [us]
• 実通信レート：38462 [baud]
• 実パルス幅：26.00 [us]
• 通信誤差：0.16 [%]

シリーズ1 Pro 57600baud

• 通信レート：57600 [baud]
• 理論パルス幅：17.36 [us]
• 実通信レート：58823 [baud]
• 実パルス幅：17.00 [us]
• 通信誤差：2.12 [%]

シリーズ1 Pro 115200baud

• 通信レート：115200 [baud]
• 理論パルス幅：8.681 [us]
• 実通信レート：111111 [baud]
• 実パルス幅：9.0 [us]
• 通信誤差：3.55 [%]

111111 baud になることはデータシートに注記されています。（教えてくださった皆さんありがとうございます。）

シリーズ1 Pro 125000baud (non-standard speed)

• 通信レート：125000 [baud]
• 理論パルス幅：8.0 [us]
• 実通信レート：124980 [baud]
• 実パルス幅：8.001 [us]
• 通信誤差：0.01 [%]

シリーズ1 Pro 200000baud (non-standard speed)

• 通信レート：200000 [baud]
• 理論パルス幅：5.0 [us]
• 実通信レート：199960 [baud]
• 実パルス幅：5.001 [us]
• 通信誤差：0.02 [%]

シリーズ1 Pro 250000baud (non-standard speed)

• 通信レート：250000 [baud]
• 理論パルス幅：4.0 [us]
• 実通信レート：249812 [baud]
• 実パルス幅：4.003 [us]
• 通信誤差：0.07 [%]

シリーズ2 1200baud

• 通信レート：1200 [baud]
• 理論パルス幅：833.3 [us]
• 実通信レート：1200.5 [baud]
• 実パルス幅：833.0 [us]
• 通信誤差：0.04 [%]

シリーズ2 2400baud

• 通信レート：2400 [baud]
• 理論パルス幅：416.7 [us]
• 実通信レート：2398.1 [baud]
• 実パルス幅：417.0 [us]
• 通信誤差：0.08 [%]

シリーズ2 4800baud

• 通信レート：4800 [baud]
• 理論パルス幅：208.3 [us]
• 実通信レート：4798.4 [baud]
• 実パルス幅：208.4 [us]
• 通信誤差：0.03 [%]

シリーズ2 9600baud

• 通信レート：9600 [baud]
• 理論パルス幅：104.2 [us]
• 実通信レート：9596.9 [baud]
• 実パルス幅：104.2 [us]
• 通信誤差：0.03 [%]

シリーズ2 19200baud

• 通信レート：19200 [baud]
• 理論パルス幅：52.08 [us]
• 実通信レート：19194 [baud]
• 実パルス幅：52.10 [us]
• 通信誤差：0.03 [%]

シリーズ2 38400baud

• 通信レート：38400 [baud]
• 理論パルス幅：26.04 [us]
• 実通信レート：38388 [baud]
• 実パルス幅：26.05 [us]
• 通信誤差：0.03 [%]

シリーズ2 57600baud

• 通信レート：57600 [baud]
• 理論パルス幅：17.36 [us]
• 実通信レート：57670 [baud]
• 実パルス幅：17.34 [us]
• 通信誤差：0.12 [%]

シリーズ2 115200baud

• 通信レート：115200 [baud]
• 理論パルス幅：8.681 [us]
• 実通信レート：115367 [baud]
• 実パルス幅：8.668 [us]
• 通信誤差：0.14 [%]

non-standard 通信レートの設定方法

設定方法として、Digi社から提供されているX-CTUを使用している人が多いと思います。 non-standard 通信レートを設定するには、Terminalを使用する必要があります。

Terminalを開いていただいて次のように打つと出来ます。()の中は、XBeeから送られてくる情報です。

+++(OK)
ATBD 0x1E848(OK)
ATWR(OK)
ATCN(OK)

この時点で転送速度が変わるので注意。（ATWRは無くても大丈夫です。詳細は後述参照）

125kbaud への設定

+++(OK)
ATBD 0x1E848(OK)
ATWR(OK)
ATCN(OK)

この時点で転送速度が変わるので注意。125000にX-CTUの速度を変えないと通信ができなくなる。

200kbaud への設定

+++(OK)
ATBD 0x30D40(OK)
ATWR(OK)
ATCN(OK)

この時点で転送速度が変わるので注意。200000にX-CTUの速度を変えないと通信ができなくなる。

250kbaud への設定

+++(OK)
ATBD 0x3D090(OK)
ATWR(OK)
ATCN(OK)

この時点で転送速度が変わるので注意。250000にX-CTUの速度を変えないと通信ができなくなる。

ATコマンドについて

通信速度設定に使用しているATコマンドは、次のようになっています。

• +++ ：ATコマンドモード開始
• ATBD ： 通信速度設定
• ATWR ：設定保存
• ATCN ：コマンド終了

上の設定では、ATWRを実行していますが、実験するだけならATWRを飛ばし、ATCNすると設定が変更されます。 ただし、電源を切ると前の設定に戻りますので注意してください。

おわりに

通信レートの誤差は、オシロスコープの誤差もあるため、0.2%以下の誤差はほぼ無いと考えられます。

誤差の計算は、オシロスコープの設定が10kpointで計測していることや、タイムスケールが適切でないため、正確ではないのが残念です。

115200baudと書くより、115200bpsと書く方が検索には引っかかり良いようです。 こだわりとしてUARTは、変調速度のため115200bpsと書くより1秒間の変調回数115200baudと書いています。 bpsは1秒間の通信ビット数で、baudは1秒間の変調回数の単位となります。

役立つかわかりませんが、実験したので公開しておきます。気になる点があれば、ご意見をいただければと思います。

リファレンス

• Digi International社: http://www.digi.com/