串行通信

串行通信技術，是指通信雙方按位進行，遵守時序的一種通信方式。串行通信中，將數據按位依次傳輸， 每位數據佔據固定的時間長度，即可使用少數幾條通信線路就可以完成系統間交換信息，特別適用於計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。串行通信多用於系統間通信（多主控制系統）、設備間（主控設備與附屬設備）、器件間（主控CPU與功能芯片）之間數據的串行傳送，實現 數據的傳輸與共享。 ^[2] 

串行總線通信過程的顯著特點是：通信線路少，佈線簡便易行，施工方便，結構靈活，系統間協商協議，自由度及靈活度較高，因此在電子電路設計、信息傳遞等諸多方面的應用越來越多。 ^[2] 

串行通信是指計算機主機與外設之間以及主機系統與主機系統之間數據的串行傳送。使用一條數據線，將數據一位一位地依次傳輸，每一位數據佔據一個固定的時間長度。其只需要少數幾條線就可以在系統間交換信息，特別適用於計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。

同步通信是一種連續串行傳送數據的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。這裏的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個數據字符。

它們均由同步字符、數據字符和校驗字符（CRC）組成。其中同步字符位於幀開頭，用於確認數據字符的開始。數據字符在同步字符之後，個數沒有限制，由所需傳輸的數據塊長度來決定；校驗字符有1到2個，用於接收端對接收到的字符序列進行正確性的校驗。同步通信的缺點是要求發送時鐘和接收時鐘保持嚴格的同步。

異步通信中，在異步通信中有兩個比較重要的指標：字符幀格式和波特率。數據通常以字符或者字節為單位組成字符幀傳送。字符幀由發送端逐幀發送，通過傳輸線被接收設備逐幀接收。發送端和接收端可以由各自的時鐘來控制數據的發送和接收，這兩個時鐘源彼此獨立，互不同步。

接收端檢測到傳輸線上發送過來的低電平邏輯"0"（即字符幀起始位）時，確定發送端已開始發送數據，每當接收端收到字符幀中的停止位時，就知道一幀字符已經發送完畢。

數據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。 在並行通信中，一個字節（8位）數據是在8條並行傳輸線上同時由源傳到目的地；而在串行通信方式中，數據是在單條1位寬的傳輸線上一位接一位地順序傳送。這樣一個字節的數據要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送。由此可見，串行通信的特點如下：

1、節省傳輸線，這是顯而易見的。尤其是在遠程通信時，此特點尤為重要。這也是串行通信的主要優點。

2、數據傳送效率低。與並行通信比，這也這是顯而易見的。這也是串行通信的主要缺點。

例如：傳送一個字節，如果並行通信所需時間為1T，則串行通信所需時間至少為8T。 由此可見，串行通信適合於遠距離傳送，可以從幾米到數千公里。對於長距離、低速率的通信，串行通信往往是唯一的選擇。並行通信適合於短距離、高速率的數據傳送，通常傳輸距離小於30米。特別值得一提的是，現成的公共電話網是通用的長距離通信介質，它雖然是為傳輸聲音信號設計的，但利用調製解調技術，可使現成的公共電話網系統為串行數據通信提供方便、實用的通信線路。

串行通信工作場所多處於強電/户外等複雜環境，並且通信各方間距離一般較長，因此易受干擾。 串行通信，波特率一定時，數據位的傳輸時間相對較短，由於串行通信的數據位採樣/ 獲取特點，位信息受干擾，整個字節數據就是錯誤信息。 ^[3] 

現實中，容易帶入串行通信干擾的因素包括：

（1）環境電磁干擾 在串行通信工作設備附近， 無可避免的存在強電設備、功率發射台等。 這些設備發射/感應的強電磁場感應區內，環境電磁干擾強。 串行通信設備工作在這種環境下，由於噪聲(干擾)在 信號電平上的疊加，引發了通信雙方數據錯誤。 ^[3] 

（2）系統噪聲

串行通信依賴於串行通信芯片。 由於芯片的設計工藝與製作水平，對輸出電平的噪聲控制參差不齊。 產生輸出電平的噪聲包括數字邏輯中供電電源和器件自身的穩定性。 通信中，供電電源的紋波無可避免的會加載到通信線路中。 紋波較大時， 容易引發串行通信的錯誤。 ^[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據傳輸的步調。 波特率的一致性是串行通信數據穩定可靠的基礎。 由於通信雙方的波特率由各自本地產生，存在誤差率的波特率導致通信雙方存在碼率誤差。 波特率誤差越大，通信數據錯誤的幾率就越大。 ^[3] 

（4）地迴路與參考地電位

通信雙方共地應用中，由於系統間參考地信號的高低電平不一致，導致傳輸的信號對地電壓存在一定的誤差。 低電壓供電應用系統中，兩側參考地電位誤差過大，會引發串行通信的數據錯誤。 以上干擾源，在通信線屏蔽、線路隔離、校準波特率等不同的硬件優化措施下，可以減弱或消除部分干擾，但仍存在數據錯誤的可能性。 因此，在硬件抗干擾的保障之外，加入軟件偵錯機制，不可忽略，尤為必要。 ^[3] 

串行通信由於其工作特點（按位傳輸易受干擾、遠距離 信息交換）、應用場合（惡劣環境的工業控制、户外等）、 器件間電平匹配（兩側器件的工作電平不一致等），需要做相應的隔離防護。通過隔離，達到以下目的。 （1）器件保護，防護隔離在電子器件高速發展的今天，低功耗、高封裝的芯片應用廣泛。微處理器的低電壓工作條件和外圍器件的高電壓工作環境，其發展進程不一。當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，而且隨着不同工作電壓的數字IC的不斷湧現，邏輯電平轉換的必要性更加突出。例如STM32控制器的3.3V輸入輸出I/O與傳統串行通信接口芯環境，其發展進程不一。因此，為 了實現控制器與通信接口芯片間的電平匹配，保護控制器引腳因過高或者過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，線路隔離由於較多串行通信設備工作在工業現場的惡劣環境或配電系統的遠距離傳輸等條件下，因此在長線通訊中線路上往往會感應出明顯的干擾信號，造成通信過程的偶發性錯誤，進而影響整個系統的可靠運行。引入干擾信號的來源包括空間輻射、串擾、系統噪聲等。例如RS － 232C通信中由於其採用單端信號傳輸模式，當通信雙方的不同地線之間的地電位不一致時，就會引入共模干擾電壓，造成通信的不穩定。 ^[2] 

串行通信中，通過通信線路屏蔽可以減少輻射干擾的影 響，通過差分方式信號傳輸方式可以減少共模干擾電壓的影響，但為應對器件保護而進行的電平變換和為減少干擾而設計的線路隔離，仍必不可少。 ^[2] 

（1）分立器件隔離技術

在隔離設計需要中，器件間電平變換隔離方法可採用單純的分立器件完成。電平變換的最終目的就是實現工作單元兩側的電平根據各自需要而定。 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 / 輸出間的電平實現匹配。 利用MOS管的開關作用，實現雙側電平變換，是常規有效的方法。 此種隔離方法，一般為共地隔離，僅完成電平變換，做到保護器件功能，非系統間電氣隔離。 ^[2] 

（2）光電耦合器隔離技術

光電耦合器，簡稱光耦，是一種以光為媒介來實現電信號傳輸的一類器件。其工作原理是把發光器（發光器件）與感光器（光敏器件）封裝在芯片內部，通過外加在輸入端的電信號控制發光器發光，感光器在內部光照的情況下，產生電信號，驅動輸出端，實現了“電—光—電”轉換。 由於光耦兩側的電信號完全隔離，內部以光為傳輸媒介， 因此，光耦輸入/輸出之間絕緣，可以完成單向信號的隔離傳輸，在數字電路中應用廣泛。 普通光耦（TLP521）在隔離電路中的應用，受限於器件特點，其傳輸特性低頻效果較好，高頻信號傳輸失真嚴重。 實際電路測試中，115kbp的串行通信頻率，通過電路器件參數匹配和電路結構優化，可基本適應。從東芝半導體公司光 耦產品系中可知，其通信速率涵蓋了20kbps ～ 50Mbps， 因此在高速通信傳輸時，應根據設計需要選用高速光耦。 ^[2] 

（3）新型隔離技術

在產品日新月異的時下，新器件層出不窮。主流芯片商德州儀器（TI）、亞諾德半導體（ADI）和芯科科技（Silicon Labs）分別研發了電容隔離、磁耦隔離、射頻隔離等不同類型的數字隔離器。 ^[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為隔離層，通過內部電場的變化來完成信號的傳輸。TI公司的ISO72x系列為典型電容隔離技術的應用。在電容隔離功能中，信號傳輸通道分為“低頻通道”與 “高頻通道”。低頻信號通過內置振盪器產生的高頻載波與PWM調製，通過差分方式進行調製傳輸。輸出端低通濾波去除高頻載波。 高頻信號則不經過調製編碼，差分變換後直接通過隔離層傳輸，輸出端通過時間關係進行邏輯決策，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，使用變壓器初級線圈與次級線圈兩者之間通過磁耦合方式進行信號傳遞，從而實現隔離效果。ADI公司的iCoupler專利技術，就是基於芯片內空芯變壓器的磁隔離技術。ADUM系列為典型磁耦隔離技術的應用。 ^[2] 

iCoupler磁隔離技術，通過芯片內部特徵尺寸上實現的空芯變壓器初級與次級線圈間的磁耦合實現信號隔離。信號傳輸採用了特定短脈衝組合方式來表示高低電平。兩個連續的短脈衝表示高電平，單個短脈衝表示低電平。輸出端根據檢測脈衝的個數來確定輸出電平狀態。刷新器電路與看門狗電路提供了輸入端電平狀態與輸出端故障安全狀態方面的保障。 ^[2] 

射頻隔離

射頻隔離，利用了無線射頻傳輸原理。在發送端，完成基於高頻信號的原始信號調製，通過發射天線發送。在接收端， 通過解調器完成已調信號的解調，恢復原始信號。通過這樣的調製與解調，實現隔離的效果。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的應用。 ^[2] 

RF隔離採用ISOpro型 RF射頻隔離原理。芯片由半導體RF射頻發射器、接收器和兩者間的差動電容式隔離隔柵組成。工作中，使用基本的ON/OFF按鍵（OOK功能）， 輸入數據為高電壓時，發射器產生RF射頻調製信號；輸入數據為低電平時，發生器無RF射頻調製信號。調製信號經過隔離隔柵送到接收器。接收器檢測到同頻帶調製信號時，經解調器解調，輸出高電平；無調製信號時，輸出低電平。 ^[2]