[科普中國(guó)]-串行通信

串行通信作為計(jì)算機(jī)通信方式之一，主要起到主機(jī)與外設(shè)以及主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸作用，串行通信具有傳輸線少、成本低的特點(diǎn)，主要適用于近距離的人-機(jī)交換、實(shí)時(shí)監(jiān)控等系統(tǒng)通信工作當(dāng)中，借助于現(xiàn)有的電話網(wǎng)也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，因此串行通信接口是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中的常用接口。1

簡(jiǎn)介串行通信技術(shù)，是指通信雙方按位進(jìn)行，遵守時(shí)序的一種通信方式。串行通信中，將數(shù)據(jù)按位依次傳輸， 每位數(shù)據(jù)占據(jù)固定的時(shí)間長(zhǎng)度，即可使用少數(shù)幾條通信線路就可以完成系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的遠(yuǎn)距離通信。串行通信多用于系統(tǒng)間通信（多主控制系統(tǒng)）、設(shè)備間（主控設(shè)備與附屬設(shè)備）、器件間（主控CPU與功能芯片）之間數(shù)據(jù)的串行傳送，實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的傳輸與共享。2

串行總線通信過(guò)程的顯著特點(diǎn)是：通信線路少，布線簡(jiǎn) 便易行，施工方便，結(jié)構(gòu)靈活，系統(tǒng)間協(xié)商協(xié)議，自由度及靈活度較高，因此在電子電路設(shè)計(jì)、信息傳遞等諸多方面的應(yīng)用越來(lái)越多。2

串行通信是指計(jì)算機(jī)主機(jī)與外設(shè)之間以及主機(jī)系統(tǒng)與主機(jī)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的串行傳送。使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。其只需要少數(shù)幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的遠(yuǎn)距離通信。

分類同步通信同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個(gè)數(shù)據(jù)字符。

它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符（CRC）組成。其中同步字符位于幀開(kāi)頭，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)字符的開(kāi)始。數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長(zhǎng)度來(lái)決定；校驗(yàn)字符有1到2個(gè)，用于接收端對(duì)接收到的字符序列進(jìn)行正確性的校驗(yàn)。同步通信的缺點(diǎn)是要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。

異步通信異步通信中，在異步通信中有兩個(gè)比較重要的指標(biāo)：字符幀格式和波特率。數(shù)據(jù)通常以字符或者字節(jié)為單位組成字符幀傳送。字符幀由發(fā)送端逐幀發(fā)送，通過(guò)傳輸線被接收設(shè)備逐幀接收。發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨(dú)立，互不同步。

接收端檢測(cè)到傳輸線上發(fā)送過(guò)來(lái)的低電平邏輯"0"（即字符幀起始位）時(shí)，確定發(fā)送端已開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)接收端收到字符幀中的停止位時(shí)，就知道一幀字符已經(jīng)發(fā)送完畢。

特點(diǎn)數(shù)據(jù)在單條一位寬的傳輸線上，一比特接一比特地按順序傳送的方式稱為串行通信。 在并行通信中，一個(gè)字節(jié)（8位）數(shù)據(jù)是在8條并行傳輸線上同時(shí)由源傳到目的地；而在串行通信方式中，數(shù)據(jù)是在單條1位寬的傳輸線上一位接一位地順序傳送。這樣一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送。由此可見(jiàn)，串行通信的特點(diǎn)如下：

1、節(jié)省傳輸線，這是顯而易見(jiàn)的。尤其是在遠(yuǎn)程通信時(shí)，此特點(diǎn)尤為重要。這也是串行通信的主要優(yōu)點(diǎn)。

2、數(shù)據(jù)傳送效率低。與并行通信比，這也這是顯而易見(jiàn)的。這也是串行通信的主要缺點(diǎn)。

例如：傳送一個(gè)字節(jié)，并行通信只需要1T的時(shí)間，而串行通信至少需要8T的時(shí)間。 由此可見(jiàn)，串行通信適合于遠(yuǎn)距離傳送，可以從幾米到數(shù)千公里。對(duì)于長(zhǎng)距離、低速率的通信，串行通信往往是唯一的選擇。并行通信適合于短距離、高速率的數(shù)據(jù)傳送，通常傳輸距離小于30米。特別值得一提的是，現(xiàn)成的公共電話網(wǎng)是通用的長(zhǎng)距離通信介質(zhì)，它雖然是為傳輸聲音信號(hào)設(shè)計(jì)的，但利用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可使現(xiàn)成的公共電話網(wǎng)系統(tǒng)為串行數(shù)據(jù)通信提供方便、實(shí)用的通信線路。

串行通信干擾源串行通信工作場(chǎng)所多處于強(qiáng)電/戶外等復(fù)雜環(huán)境，并且通信各方間距離一般較長(zhǎng)，因此易受干擾。 串行通信，波特率一定時(shí)，數(shù)據(jù)位的傳輸時(shí)間相對(duì)較短，由于串行通信的數(shù)據(jù)位采樣/ 獲取特點(diǎn)，位信息受干擾，整個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)就是錯(cuò)誤信息。3

現(xiàn)實(shí)中，容易帶入串行通信干擾的因素包括：

（1）環(huán)境電磁干擾 在串行通信工作設(shè)備附近， 無(wú)可避免的存在強(qiáng)電設(shè)備、功率發(fā)射臺(tái)等。 這些設(shè)備發(fā)射/感應(yīng)的強(qiáng)電磁場(chǎng)感應(yīng)區(qū)內(nèi)，環(huán)境電磁干擾強(qiáng)。 串行通信設(shè)備工作在這種環(huán)境下，由于噪聲(干擾)在 信號(hào)電平上的疊加，引發(fā)了通信雙方數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。3

（2）系統(tǒng)噪聲

串行通信依賴于串行通信芯片。 由于芯片的設(shè)計(jì)工藝與制作水平，對(duì)輸出電平的噪聲控制參差不齊。 產(chǎn)生輸出電平的噪聲包括數(shù)字邏輯中供電電源和器件自身的穩(wěn)定性。 通信中，供電電源的紋波無(wú)可避免的會(huì)加載到通信線路中。 紋波較大時(shí)， 容易引發(fā)串行通信的錯(cuò)誤。3

（3）碼率誤差

串行通信雙方事先約定了固定的波特率作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟秸{(diào)。 波特率的一致性是串行通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。 由于通信雙方的波特率由各自本地產(chǎn)生，存在誤差率的波特率導(dǎo)致通信雙方存在碼率誤差。 波特率誤差越大，通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的幾率就越大。3

（4）地回路與參考地電位

通信雙方共地應(yīng)用中，由于系統(tǒng)間參考地信號(hào)的高低電平不一致，導(dǎo)致傳輸?shù)男盘?hào)對(duì)地電壓存在一定的誤差。 低電壓供電應(yīng)用系統(tǒng)中，兩側(cè)參考地電位誤差過(guò)大，會(huì)引發(fā)串行通信的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。 以上干擾源，在通信線屏蔽、線路隔離、校準(zhǔn)波特率等不同的硬件優(yōu)化措施下，可以減弱或消除部分干擾，但仍存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的可能性。 因此，在硬件抗干擾的保障之外，加入軟件偵錯(cuò)機(jī)制，不可忽略，尤為必要。3

串行通信隔離方法隔離的現(xiàn)實(shí)需要串行通信由于其工作特點(diǎn)（按位傳輸易受干擾、遠(yuǎn)距離 信息交換）、應(yīng)用場(chǎng)合（惡劣環(huán)境的工業(yè)控制、戶外等）、 器件間電平匹配（兩側(cè)器件的工作電平不一致等），需要做相應(yīng)的隔離防護(hù)。通過(guò)隔離，達(dá)到以下目的。 （1）器件保護(hù)，防護(hù)隔離在電子器件高速發(fā)展的今天，低功耗、高封裝的芯片應(yīng)用廣泛。微處理器的低電壓工作條件和外圍器件的高電壓工作環(huán)境，其發(fā)展進(jìn)程不一。當(dāng)前微處理器芯片電平多以1.8V、 3.3V、5.0V等低電壓器件為主，而且隨著不同工作電壓的數(shù)字IC的不斷涌現(xiàn)，邏輯電平轉(zhuǎn)換的必要性更加突出。例如STM32控制器的3.3V輸入輸出I/O與傳統(tǒng)串行通信接口芯環(huán)境，其發(fā)展進(jìn)程不一。當(dāng)前微處理器芯片電平多以1.8V、 3.3V、5.0V等低電壓器件為主，而且隨著不同工作電壓的 數(shù)字 IC 的不斷涌現(xiàn)，邏輯電平轉(zhuǎn)換的必要性更加突出。例如 STM32控制器的3.3V輸入輸出I/O與傳統(tǒng)串行通信接口芯 片MAX232的TTL電平為輸入標(biāo)準(zhǔn)，格格不入。因此，為 了實(shí)現(xiàn)控制器與通信接口芯片間的電平匹配，保護(hù)控制器引腳因過(guò)高或者過(guò)低的工作電壓而受損，加入隔離器件尤其必要。2

（2）屏蔽干擾，線路隔離由于較多串行通信設(shè)備工作在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境或配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葪l件下，因此在長(zhǎng)線通訊中線路上往往會(huì)感應(yīng)出明顯的干擾信號(hào)，造成通信過(guò)程的偶發(fā)性錯(cuò)誤，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。引入干擾信號(hào)的來(lái)源包括空間輻射、串?dāng)_、系統(tǒng)噪聲等。例如RS － 232C通信中由于其采用單端信號(hào)傳輸模式，當(dāng)通信雙方的不同地線之間的地電位不一致時(shí)，就會(huì)引入共模干擾電壓，造成通信的不穩(wěn)定。2

串行通信中，通過(guò)通信線路屏蔽可以減少輻射干擾的影 響，通過(guò)差分方式信號(hào)傳輸方式可以減少共模干擾電壓的影響，但為應(yīng)對(duì)器件保護(hù)而進(jìn)行的電平變換和為減少干擾而設(shè)計(jì)的線路隔離，仍必不可少。2

隔離的方法應(yīng)用（1）分立器件隔離技術(shù)

在隔離設(shè)計(jì)需要中，器件間電平變換隔離方法可采用單純的分立器件完成。電平變換的最終目的就是實(shí)現(xiàn)工作單元兩側(cè)的電平根據(jù)各自需要而定。 分立器件隔離方法主要利用的就是電阻與晶體管的合理搭配，使得輸入 / 輸出間的電平實(shí)現(xiàn)匹配。 利用MOS管的開(kāi)關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)雙側(cè)電平變換，是常規(guī)有效的方法。 此種隔離方法，一般為共地隔離，僅完成電平變換，做到保護(hù)器件功能，非系統(tǒng)間電氣隔離。2

（2）光電耦合器隔離技術(shù)

光電耦合器，簡(jiǎn)稱光耦，是一種以光為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸?shù)囊活惼骷?。其工作原理是把發(fā)光器（發(fā)光器件）與感光器（光敏器件）封裝在芯片內(nèi)部，通過(guò)外加在輸入端的電信號(hào)控制發(fā)光器發(fā)光，感光器在內(nèi)部光照的情況下，產(chǎn)生電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出端，實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。 由于光耦兩側(cè)的電信號(hào)完全隔離，內(nèi)部以光為傳輸媒介， 因此，光耦輸入/輸出之間絕緣，可以完成單向信號(hào)的隔離傳輸，在數(shù)字電路中應(yīng)用廣泛。 普通光耦（TLP521）在隔離電路中的應(yīng)用，受限于器件特點(diǎn)，其傳輸特性低頻效果較好，高頻信號(hào)傳輸失真嚴(yán)重。 實(shí)際電路測(cè)試中，115kbp的串行通信頻率，通過(guò)電路器件參數(shù)匹配和電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可基本適應(yīng)。從東芝半導(dǎo)體公司光 耦產(chǎn)品系中可知，其通信速率涵蓋了20kbps ～ 50Mbps， 因此在高速通信傳輸時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)需要選用高速光耦。2

（3）新型隔離技術(shù)

在產(chǎn)品日新月異的時(shí)下，新器件層出不窮。主流芯片商德州儀器（TI）、亞諾德半導(dǎo)體（ADI）和芯科科技（Silicon Labs）分別研發(fā)了電容隔離、磁耦隔離、射頻隔離等不同類型的數(shù)字隔離器。2

電容隔離

電容隔離，利用了電容極板間填充材料為絕緣物質(zhì)為隔離層，通過(guò)內(nèi)部電場(chǎng)的變化來(lái)完成信號(hào)的傳輸。TI公司的ISO72x系列為典型電容隔離技術(shù)的應(yīng)用。在電容隔離功能中，信號(hào)傳輸通道分為“低頻通道”與 “高頻通道”。低頻信號(hào)通過(guò)內(nèi)置振蕩器產(chǎn)生的高頻載波與PWM調(diào)制，通過(guò)差分方式進(jìn)行調(diào)制傳輸。輸出端低通濾波去除高頻載波。 高頻信號(hào)則不經(jīng)過(guò)調(diào)制編碼，差分變換后直接通過(guò)隔離層傳輸，輸出端通過(guò)時(shí)間關(guān)系進(jìn)行邏輯決策，從而控制輸出多路選擇器正確輸出。2

磁耦隔離

磁耦隔離，利用了變壓器原理，使用變壓器初級(jí)線圈與次級(jí)線圈兩者之間通過(guò)磁耦合方式進(jìn)行信號(hào)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)隔離效果。ADI公司的iCoupler專利技術(shù)，就是基于芯片內(nèi)空芯變壓器的磁隔離技術(shù)。ADUM系列為典型磁耦隔離技術(shù)的應(yīng)用。2

iCoupler磁隔離技術(shù)，通過(guò)芯片內(nèi)部特征尺寸上實(shí)現(xiàn)的空芯變壓器初級(jí)與次級(jí)線圈間的磁耦合實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。信號(hào)傳輸采用了特定短脈沖組合方式來(lái)表示高低電平。兩個(gè)連續(xù)的短脈沖表示高電平，單個(gè)短脈沖表示低電平。輸出端根據(jù)檢測(cè)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定輸出電平狀態(tài)。刷新器電路與看門(mén)狗電路提供了輸入端電平狀態(tài)與輸出端故障安全狀態(tài)方面的保障。2

射頻隔離

射頻隔離，利用了無(wú)線射頻傳輸原理。在發(fā)送端，完成基于高頻信號(hào)的原始信號(hào)調(diào)制，通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送。在接收端， 通過(guò)解調(diào)器完成已調(diào)信號(hào)的解調(diào)，恢復(fù)原始信號(hào)。通過(guò)這樣的調(diào)制與解調(diào)，實(shí)現(xiàn)隔離的效果。Silicon Labs 公司的RF隔離即射頻隔離，Si84xx系列為典型射頻隔離技術(shù)的應(yīng)用。2

RF隔離采用ISOpro型 RF射頻隔離原理。芯片由半導(dǎo)體RF射頻發(fā)射器、接收器和兩者間的差動(dòng)電容式隔離隔柵組成。工作中，使用基本的ON/OFF按鍵（OOK功能）， 輸入數(shù)據(jù)為高電壓時(shí)，發(fā)射器產(chǎn)生RF射頻調(diào)制信號(hào)；輸入數(shù)據(jù)為低電平時(shí)，發(fā)生器無(wú)RF射頻調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離隔柵送到接收器。接收器檢測(cè)到同頻帶調(diào)制信號(hào)時(shí)，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，輸出高電平；無(wú)調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出低電平。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹袖 - 高級(jí)工程師 - 復(fù)旦大學(xué)