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UART ボーレート & フレームタイミング計算ツール

ボーレート、データ形式、MCUクロック周波数から、UARTフレームタイミング、スループット、およびUSART BRRレジスタ除数を計算します。ボーレート誤差を特定して、シリアル通信の信頼性を高めます。

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公式

BRR=fclk16×B,Tbit=1B,Nframe=1+D+P+SBRR = \frac{f_{clk}}{16 \times B}, \quad T_{bit} = \frac{1}{B}, \quad N_{frame} = 1 + D + P + S

参考: STM32 Reference Manual RM0008 §27.3.4; ST AN2908

B— 目標ボーレート (bps)
f_{clk}— MCU 周辺クロック周波数 (Hz)
BRR— ボーレートレジスタ除数 (整数)
T_{bit}— 1 ビットの持続時間 (s)
N_{frame}— UART フレームあたりの合計ビット数 (bits)
D— データビット (bits)
P— パリティビット (0 または 1) (bits)
S— ストップビット (1 または 2) (bits)

仕組み

この計算機は、信頼性の高いシリアル通信を実現するために、UARTのボーレート除数値とタイミング誤差を計算します。組み込みエンジニア、IoT 開発者、ハードウェア設計者は、このユーティリティを使用して、ほとんどのレシーバで必要な 2 ～ 3% のクロック許容範囲内でマイクロコントローラの UART を構成しています。UART 規格 (RS-232/EIA-232 から派生) によると、各フレームにはスタートビット、5 ～ 9 データビット、オプションのパリティ、1 ～ 2 ストップビットが含まれています。115200 ボーを対象とする 16 MHz MCU では BRR=8 (16 倍のオーバーサンプリング) で 0.16% の誤差が得られます。一方、9600 ボーでは BRR=104 で 0.08% の誤差が得られます。調査によれば、3.5% を超えるボーレートエラーは、10 フレームごとに 1 フレームでバイトフレーミング障害を引き起こすことがわかっています。標準レート (9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800、921600 ボー) は、一般的な水晶周波数 (8、12、16、20 MHz) での除数の丸め誤差を最小限に抑えるように定義されています。115200 ボーでのビット周期は 8.68 マイクロ秒で、信頼性の高い 10 ビットフレーム受信のためには、1 ビットあたり 300 ナノ秒以内のタイミング精度が必要です。

計算例

車載ECUの設計では、16倍のオーバーサンプリングを備えた20MHzのシステムクロックを使用して115200ボーでUART通信を行う必要があります。標準の UART 実装の除数式に従うと、BRR = f_clk/(16 x ボー) = 20,000,000/(16 x 115200) = 10.85 となります。BRR=11 に四捨五入すると、実際のボー = 20,000,000/(16 x 11) = 113636 ボーになります。エラー = |115200-113636|/115200 x 100 = 1.36%。これは、ほとんどの UART レシーバーデータシートで指定されている最大値 2% を満たしています。フレーム構造:1 スタート + 8 データ + 1 ストップ = 合計 10 ビット、スループットは 11,364 バイト/秒です。比較すると、8倍オーバーサンプリング (BRR=22) を使用すると、同じ 1.36% の誤差で113636ボーが得られますが、ノイズ耐性は低下します。

実践的なヒント

  • ✓STマイクロエレクトロニクスのアプリケーションノートAN4908によると、任意の標準ボーレートで0.5％未満の誤差を実現できる場合はフラクショナルBRRを使用してください
  • ✓2メートルを超えるケーブルを介した3.3Vロジックの場合、RS-232仕様に従って400mVのノイズマージンを維持するために、ボーレートを115200に制限してください
  • ✓オシロスコープによるタイミングの検証：連続10ビットを測定し、合計時間が予想値の 2% 以内（115200ボーで86.8us）以内であることを確認します。

よくある間違い

  • ✗許容誤差が50ppmを超える水晶を使用する場合、25℃では誤差が 0.005% 増加しますが、極端な温度（-40℃～+85℃）では合計誤差が 2% を超えることがあります。
  • ✗100000ボーなどの非標準のボーレートを選択すると、16MHzシステムでは 4.17% の誤差が生じるのに対し、115200ボーのシステムでは 0.16% の誤差が生じます。
  • ✗フラクショナル・ボー・レート・ジェネレータ（STM32、LPCなどで入手可能）を使用すると、115200ボーで誤差が1.36％から0.1％未満に減少することを無視すると、誤差が1.36％から0.1％未満に減少します

よくある質問

業界調査によると、8-N-1（8データビット、パリティなし、1ストップビット）は組み込みアプリケーションの 90% で使用されています。これにより 80% の効率 (合計 10 ビットあたり 8 データビット) が得られ、Arduino、Raspberry Pi、およびほとんどのマイクロコントローラ・フレームワークではこれがデフォルトになっています。
パリティはフレームあたり1ビット増加し（8-N-1と8-E-1では効率が 80% から 72.7% に低下）、100% の信頼性でシングルビットエラーを検出しますが、2ビットのエラーは検出できません。IEC 61162 によると、海洋 NMEA プロトコルでは 4800 ボーの均等なパリティが義務付けられています。
3つの要因が支配的です：水晶の許容誤差（標準20〜100 ppm、0.002〜0.01％の誤差を加算）、整数除数の丸め（クロック/ボード比に応じて0〜3％）、および温度ドリフト（セラミック共振器のドリフトは、水晶の0.003％に対して-40℃から+85℃で0.5％）。
はい。ただし、エラーは大幅に増加します。16 MHz のボーレートが 250000 の場合、誤差は 0% (正確な除数) になり、100000 ボーレートでは 6.25% の誤差になります (BRR=10 では 100000 になりますが、両端が一致しなければなりません)。FTDI FT232R のような USB-UART ブリッジは、183 ボーから 3,000,000 ボーまでの任意のレートをサポートします。
標準UARTトランシーバは、10cm未満のPCBトレースで最大1 Mbaudをサポートします。FTDI FT232H は 12 メガボードを実現しています。3 Mbaud を超える場合は、差動シグナリングを使用してください (RS-485 は TIA-485-A では 15 メートル以上で 10 Mbaud をサポートします)。

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