串行通信

用一条数据线将数据依次传输

串行通信作为计算机通信方式之一，主要起到主机与外设以及主机之间的数据传输作用，串行通信具有传输线少、成本低的特点，主要适用于近距离的人-机交换、实时监控等系统通信工作当中，借助于现有的电话网也能实现远距离传输，因此串行通信接口是计算机系统当中的常用接口。

简介

串行通信技术，是指通信双方按位进行，遵守时序的一种通信方式。串行通信中，将数据按位依次传输，每位数据占据固定的时间长度，即可使用少数几条通信线路就可以完成系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。串行通信多用于系统间通信（多主控制系统）、设备间（主控设备与附属设备）、器件间（主控CPU与功能芯片）之间数据的串行传送，实现数据的传输与共享。

串行总线通信过程的显著特点是：通信线路少，布线简便易行，施工方便，结构灵活，系统间协商协议，自由度及灵活度较高，因此在电子电路设计、信息传递等诸多方面的应用越来越多。

串行通信是指计算机主机与外设之间以及主机系统与主机系统之间数据的串行传送。使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

分类

同步通信

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。

它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。

异步通信

异步通信中，在异步通信中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。

接收端检测到传输线上发送过来的低电平

特点

数据在单条一位宽的传输线上，一比特接一比特地按顺序传送的方式称为串行通信。在并行通信中，一个字节（8位）数据是在8条并行传输线上同时由源传到目的地；而在串行通信方式中，数据是在单条1位宽的传输线上一位接一位地顺序传送。这样一个字节的数据要分8次由低位到高位按顺序一位位地传送。由此可见，串行通信的特点如下：

1、节省传输线，这是显而易见的。尤其是在远程通信时，此特点尤为重要。这也是串行通信的主要优点。

2、数据传送效率低。与并行通信比，这也这是显而易见的。这也是串行通信的主要缺点。

例如：传送一个字节，如果并行通信所需时间为1T，则串行通信所需时间至少为8T。由此可见，串行通信适合于远距离传送，可以从几米到数千公里。对于长距离、低速率的通信，串行通信往往是唯一的选择。并行通信适合于短距离、高速率的数据传送，通常传输距离小于30米。特别值得一提的是，现成的公共电话网是通用的长距离通信介质，它虽然是为传输声音信号设计的，但利用调制解调技术，可使现成的公共电话网系统为串行数据通信提供方便、实用的通信线路。

串行通信干扰源

串行通信工作场所多处于强电/户外等复杂环境，并且通信各方间距离一般较长，因此易受干扰。串行通信，波特率一定时，数据位的传输时间相对较短，由于串行通信的数据位采样/ 获取特点，位信息受干扰，整个字节数据就是错误信息。

现实中，容易带入串行通信干扰的因素包括：

（1）环境电磁干扰在串行通信工作设备附近，无可避免的存在强电设备、功率发射台等。这些设备发射/感应的强电磁场感应区内，环境电磁干扰强。串行通信设备工作在这种环境下，由于噪声(干扰)在信号电平上的叠加，引发了通信双方数据错误。

（2）系统噪声

串行通信依赖于串行通信芯片。由于芯片的设计工艺与制作水平，对输出电平的噪声控制参差不齐。产生输出电平的噪声包括数字逻辑中供电电源和器件自身的稳定性。通信中，供电电源的纹波无可避免的会加载到通信线路中。纹波较大时，容易引发串行通信的错误。

（3）码率误差

串行通信双方事先约定了固定的波特率作为数据传输的步调。波特率的一致性是串行通信数据稳定可靠的基础。由于通信双方的波特率由各自本地产生，存在误差率的波特率导致通信双方存在码率误差。波特率误差越大，通信数据错误的几率就越大。

（4）地回路与参考地电位

通信双方共地应用中，由于系统间参考地信号的高低电平不一致，导致传输的信号对地电压存在一定的误差。低电压供电应用系统中，两侧参考地电位误差过大，会引发串行通信的数据错误。以上干扰源，在通信线屏蔽、线路隔离、校准波特率等不同的硬件优化措施下，可以减弱或消除部分干扰，但仍存在数据错误的可能性。因此，在硬件抗干扰的保障之外，加入软件侦错机制，不可忽略，尤为必要。

串行通信隔离方法

隔离的现实需要

串行通信由于其工作特点（按位传输易受干扰、远距离信息交换）、应用场合（恶劣环境的工业控制、户外等）、器件间电平匹配（两侧器件的工作电平不一致等），需要做相应的隔离防护。通过隔离，达到以下目的。（1）器件保护，防护隔离在电子器件高速发展的今天，低功耗、高封装的芯片应用广泛。微处理器的低电压工作条件和外围器件的高电压工作环境，其发展进程不一。当前微处理器芯片电平多以1.8V、 3.3V、5.0V等低电压器件为主，而且随着不同工作电压的数字IC的不断涌现，逻辑电平转换的必要性更加突出。例如STM32控制器的3.3V输入输出I/O与传统串行通信接口芯环境，其发展进程不一。因此，为了实现控制器与通信接口芯片间的电平匹配，保护控制器引脚因过高或者过低的工作电压而受损，加入隔离器件尤其必要。

（2）屏蔽干扰，线路隔离由于较多串行通信设备工作在工业现场的恶劣环境或配电系统的远距离传输等条件下，因此在长线通讯中线路上往往会感应出明显的干扰信号，造成通信过程的偶发性错误，进而影响整个系统的可靠运行。引入干扰信号的来源包括空间辐射、串扰、系统噪声等。例如RS － 232C通信中由于其采用单端信号传输模式，当通信双方的不同地线之间的地电位不一致时，就会引入共模干扰电压，造成通信的不稳定。

串行通信中，通过通信线路屏蔽可以减少辐射干扰的影响，通过差分方式信号传输方式可以减少共模干扰电压的影响，但为应对器件保护而进行的电平变换和为减少干扰而设计的线路隔离，仍必不可少。

隔离的方法应用

（1）分立器件隔离技术

在隔离设计需要中，器件间电平变换隔离方法可采用单纯的分立器件完成。电平变换的最终目的就是实现工作单元两侧的电平根据各自需要而定。分立器件隔离方法主要利用的就是电阻与晶体管的合理搭配，使得输入 / 输出间的电平实现匹配。利用MOS管的开关作用，实现双侧电平变换，是常规有效的方法。此种隔离方法，一般为共地隔离，仅完成电平变换，做到保护器件功能，非系统间电气隔离。

（2）光电耦合器隔离技术

光电耦合器，简称光耦，是一种以光为媒介来实现电信号传输的一类器件。其工作原理是把发光器（发光器件）与感光器（光敏器件）封装在芯片内部，通过外加在输入端的电信号控制发光器发光，感光器在内部光照的情况下，产生电信号，驱动输出端，实现了“电—光—电”转换。由于光耦两侧的电信号完全隔离，内部以光为传输媒介，因此，光耦输入/输出之间绝缘，可以完成单向信号的隔离传输，在数字电路中应用广泛。普通光耦（TLP521）在隔离电路中的应用，受限于器件特点，其传输特性低频效果较好，高频信号传输失真严重。实际电路测试中，115kbp的串行通信频率，通过电路器件参数匹配和电路结构优化，可基本适应。从东芝半导体公司光耦产品系中可知，其通信速率涵盖了20kbps ～ 50Mbps，因此在高速通信传输时，应根据设计需要选用高速光耦。

（3）新型隔离技术

在产品日新月异的时下，新器件层出不穷。主流芯片商德州仪器（TI）、亚诺德半导体（ADI）和芯科科技（Silicon Labs）分别研发了电容隔离、磁耦隔离、射频隔离等不同类型的数字隔离器。

电容隔离

电容隔离，利用了电容极板间填充材料为绝缘物质为隔离层，通过内部电场的变化来完成信号的传输。TI公司的ISO72x系列为典型电容隔离技术的应用。在电容隔离功能中，信号传输通道分为“低频通道”与 “高频通道”。低频信号通过内置振荡器产生的高频载波与PWM调制，通过差分方式进行调制传输。输出端低通滤波去除高频载波。高频信号则不经过调制编码，差分变换后直接通过隔离层传输，输出端通过时间关系进行逻辑决策，从而控制输出多路选择器正确输出。

磁耦隔离

磁耦隔离，利用了变压器原理，使用变压器初级线圈与次级线圈两者之间通过磁耦合方式进行信号传递，从而实现隔离效果。ADI公司的iCoupler专利技术，就是基于芯片内空芯变压器的磁隔离技术。ADUM系列为典型磁耦隔离技术的应用。

iCoupler磁隔离技术，通过芯片内部特征尺寸上实现的空芯变压器初级与次级线圈间的磁耦合实现信号隔离。信号传输采用了特定短脉冲组合方式来表示高低电平。两个连续的短脉冲表示高电平，单个短脉冲表示低电平。输出端根据检测脉冲的个数来确定输出电平状态。刷新器电路与看门狗电路提供了输入端电平状态与输出端故障安全状态方面的保障。

射频隔离

射频隔离，利用了无线射频传输原理。在发送端，完成基于高频信号的原始信号调制，通过发射天线发送。在接收端，通过解调器完成已调信号的解调，恢复原始信号。通过这样的调制与解调，实现隔离的效果。Silicon Labs 公司的RF隔离即射频隔离，Si84xx系列为典型射频隔离技术的应用。

RF隔离采用ISOpro型 RF射频隔离原理。芯片由半导体RF射频发射器、接收器和两者间的差动电容式隔离隔栅组成。工作中，使用基本的ON/OFF按键（OOK功能），输入数据为高电压时，发射器产生RF射频调制信号；输入数据为低电平时，发生器无RF射频调制信号。调制信号经过隔离隔栅送到接收器。接收器检测到同频带调制信号时，经解调器解调，输出高电平；无调制信号时，输出低电平。

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