串行通信是指使用一條數據線，將數據一位一位地依次傳輸，每一位數據占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，特別使用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。串行通信作為計算機通信方式之一，主要起到主機與外設以及主機之間的數據傳輸作用，串行通信具有傳輸線少、成本低的特點，主要適用于近距離的人-機交換、實時監控等系統通信工作當中，借助于現有的電話網也能實現遠距離傳輸，因此串行通信接口是計算機系統當中的常用接口。
技術簡介
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，每位數據占據固定的時間長度，即可使用少數幾條通信線路就可以完成系統間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。串行通信多用于系統間通信（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。
串行總線通信過程的顯著特點是：通信線路少，布線簡便易行，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。
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，每一位數據占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，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。
基本概念
隨著計算機網絡化和微機分級分布式應用系統的發展，通信的功能越來越重要。通信是指計算機與外界的信息傳輸，既包括計算機與計算機之間的傳輸，也包括計算機與外部設備，如終端、打印機和磁盤等設備之間的傳輸。在通信領域內，數據通信中按每次傳送的數據位數，通信方式可分為：并行通信和串行通信。
串行通訊接口通信時，發送和接收到的每一個字符實際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0。
同步通信
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。這里的同步串行通信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。其中同步字符位于幀開頭，用于確認數據字符的開始。數據字符在同步字符之后，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，用于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
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。
主要特點
一、串行通信的特點
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。如圖8.1(a)所示的并行通信中，一個字節（8位）數據是在8條并行傳輸線上同時由源傳到目的地；而在圖8.1(b)所示的串行通信方式中，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。與并行通信比，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，并行通信只需要1T的時間，而串行通信至少需要8T的時間。由此可見，串行通信適合于遠距離傳送，可以從幾米到數千公里。對于長距離、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、高速率的數據傳送，通常傳輸距離小于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，但利用調制解調技術，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。
形式和標準
調幅方式
串行數據在傳輸時通常采用調幅（AM）和調頻（FM）兩種方式傳送數字信息。遠程通信時，發送的數字信息，如二進制數據，首先要調制成模擬信息。幅度調制是用某種電平或電流來表示邏輯“1”，稱為傳號（mark）；而用另一種電平或電流來表示邏輯“0”，稱為空號（space）。出現在傳輸線上的mark/space的串行數據形式。
使用mark/space形式通常有四種標準，TTL標準、RS-232標準、20mA電流環標準和60mA電流環標準。
①TTL標準：用+5V電平表示邏輯“1”；用0V電平表示邏輯“0”，這里采用的是正邏輯。
②RS-232標準：用-3V—-15V之間的任意電平表示邏輯“1”；用+3V—+15V電平表示邏輯“0”，這里采用的是負邏輯。
③20mA電流環標準。線路中存在20mA電流表示邏輯1，不存在20mA電流表示邏輯0。
④60mA電流環標準。線路中存在60mA電流表示邏輯1，不存在60mA電流表示邏輯0。
調頻方式
頻率調制方式是用兩種不同的頻率分別表示二進制中的邏輯1和邏輯0，通常使用曼徹斯特編碼標準和堪薩斯城標準。
①曼徹斯特編碼標準：這種標準兼有電平變化和頻率變化來表示二進制數的0和1。每當出現一個新的二進制位時，就有一個電平跳變。如果該位是邏輯1，則在中間還有一個電平跳變；而邏輯0僅有位邊沿跳變。所以邏輯1的頻率比邏輯0的頻率大一倍。曼徹斯特編碼標準通常用在兩臺計算機之間的同步通信。
②堪薩斯城標準：它用頻率為1200Hz中的4個周期表示邏輯0，而用頻率為2400Hz中的8個周期表示邏輯1。
數字編碼方式
⑴NRZ編碼
NRZ編碼又稱為不歸零編碼，常用正電壓表示“1”，負電壓表示“0”，而且在一個碼元時間內，電壓均不需要回到零。其特點是全寬碼，即一個碼元占一個單元脈沖的寬度。
⑵曼徹斯特（Manchester)編碼
在曼徹斯特編碼中，每個二進制位（碼元）的中間都有電壓跳變。用電壓的正跳變表示“0”，電壓的負跳變表示“1”。由于跳變都發生在每一個碼元的中間位置（半個周期），接收端就可以方便地利用它作為同步時鐘，因此這種曼徹斯特編碼又稱為自同步曼徹斯特編碼。目前最廣泛應用的局域網—以太網，在數據傳輸時就采用這種數字編碼。
⑶導數曼徹斯特編碼
微分曼徹斯特編碼是曼徹斯特編碼的一種修改形式，其不同之處時：用每一位的起始處有無跳變來表示“0”和“1”，若有跳變則為“0”，無跳變則為“1”；而每一位中間的跳變只用來作為同步的時鐘信號，所以它也是一中自同步編碼，同步曼徹斯特編碼和微分曼徹斯特編碼的每一位都是用不同電平的兩個半位來表示的，因此始終保持直流的平衡。不會造成直流的累積。
數據傳輸率
數據傳輸率是指單位時間內傳輸的信息量，可用比特率和波特率來表示。
⑴比特率：比特率是指每秒傳輸的二進制位數，用bps（刨刀/s)表示。
⑵波特率：波特率是指每秒傳輸的符號數，若每個符號所含的信息量為1比特，則波特率等于比特率。在計算機中，一個符號的含義為高低電平，它們分別代表邏輯“1”和邏輯“0”，所以每個符號所含的信息量剛好為1比特，因此在計算機通信中，常將比特率稱為波特率，即：
1波特（B）=1比特（bit）=1位/秒（1bps）例如：電傳打字機最快傳輸率為每秒10個字符/秒，每個字符包含11個二進制位，則數據傳輸率為:10Baud。11位/字符×10個字符/秒=110位/秒=110bps。計算機中常用的波特率是：110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可達56Kbps.
⑶位時間Td
位時間是指傳送一個二進制位所需時間，用Td表示。Td=1/波特率=1/B
例如：B=110波特/秒，則Td=1/110≈0.0091s
發送時鐘接收時鐘
在串行通信中，二進制數據以數字信號的信號形式出現，不論是發送還是接收，都必須有時鐘信號對傳送的數據進行定位。在TTL標準表示的二進制數中，傳輸線上高電平表示二進制1，低電平表示二進制0，且每一位持續時間是固定的，由發送時鐘和接收時鐘的頻率決定。
⑴發送時鐘
發送數據時，先將要發送的數據送入移位寄存器，然后在發送時鐘的控制下，將該并行數據逐位移位輸出。通常是在發送時鐘的下降沿將移位寄存器中的數據串行輸出，每個數據位的時間間隔由發送時鐘的周期來劃分。
⑵接收時鐘
在接收串行數據時，接收時鐘的上升沿對接收數據采樣，進行數據位檢測，并將其移入接收器的移位寄存器中，最后組成并行數據輸出。
⑶波特率因子
接收時鐘和發送時鐘與波特率有如下關系：F=n×B這里F是發送時鐘或接收時鐘的頻率;B是數據傳輸的波特率；n稱為波特率因子。設發送或接收時鐘的周期為Tc，頻率為F的位傳輸時間為Td，則：Tc=1/F,Td=1/B得到：Tc=Td/n在實際串行通信中，波特率因子可以設定。在異步傳送時，n=1，16，64，實際常采用n=16，即發送或接收時鐘的頻率要比數據傳送的波特率高n倍。在同步通信時，波特率因子n必須等于1。
標準
典型的串行通訊標準是RS232和RS485。它們定義了電壓，阻抗等。但不對軟件協議給予定義。
區別于RS232, RS485的特性包括：
1. RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6） V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號電平比RS -232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。
2. RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。
3. RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。
4. RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達 3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發器，即單站能力。而 RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優點就使其成為首選的串口調試軟件。因為RS485接口組成的半雙工網絡，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用STP傳輸。 RS485接口接插件采用DB-9的9芯航空插頭，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔） ，與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）。
RS485編程
串行通訊接口協議只是定義了傳輸的電壓，阻抗等，編程方式和普通的串口編程一樣。
RS-232與RS-422之間轉換原理和接法
通常我們對于視頻服務器、錄像機、切換臺等直接播出、切換控制主要使用串口進行，主要使用到RS-232、RS-422與RS-485三種接口控制。下面就串口的接口標準以及使用和外部插件和電纜進行探討。
RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。例如：視頻服務器都帶有多個RS422串行通訊接口，每個接口均可通過RS422通訊線由外部計算機控制實現記錄與播放。視頻服務器除提供各種控制硬件接口外，還提供協議接口，如RS422接口除支持RS422的Profile協議外，還支持 Louth、Odetics 、BVW等通過RS422控制的協議。
RS-232、RS-422與RS-485都是串行數據接口標準，都是由EIA（EIA）制訂并發布的，RS-232在1962年發布。RS-422由RS-232發展而來，為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100Kbps時），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485A標準。
1. S-232串口調試軟件標準
目前RS-232是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發端的數據信號是相對于信號地。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發送數據時，發送端驅動器輸出正電平在+5~+15V，負電平在-5~-15V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3~+12V與-3~-12V。由于發送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20Kbps。RS-232是為點對點（即只用一對收、發設備）通訊而設計的，其驅動器負載為3kΩ~7kΩ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。
2. RS-422與RS-485串口調試軟件標準
（1）平衡傳輸
RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發送驅動器A、B之間的正電平在+2~+6V，是一個邏輯狀態，負電平在-2V~6V，是另一個邏輯狀態。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發送驅動器處于高阻狀態，稱作“第三態”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態。
（2）RS-422電氣規定
由于接收器采用高輸入阻抗和發送驅動器比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節點，最多可接10個節點。即一個主設備（Master），其余為從設備（salve），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。RS-422四線接口由于采用單獨的發送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mbps。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。
（3）RS-485電氣規定
由于RS-485是從RS-422基礎上發展而來的，所以RS-485許多電氣規定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信。RS-485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485 可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。 RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間;RS-485滿足所有RS-422的規范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中應用。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能使用規定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。
（4）RS-422與RS-485的網絡安裝注意要點
RS-422可支持10個節點，RS-485支持32個節點，因此多節點構成網絡。網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，不支持環形或星形網絡。在構建網絡時，應注意如下幾點：
* 采用一條雙絞線電纜作總線，將各個節點串接起來，從總線到每個節點的引出線長度應盡量短，以便使引出線中的反射信號對總線信號的影響最低。
* 應注意總線特性阻抗的連續性，在阻抗不連續點就會發生信號的反射。下列幾種情況易產生這種不連續性：總線的不同區段采用了不同電纜，或某一段總線上有過多收發器緊靠在一起安裝，再者是過長的分支線引出到總線。
總之，應該提供一條單一、連續的信號通道作為總線。
插口種類及轉換
串行通訊接口是一種接口標準，它規定了接口的電氣標準，簡單說只是物理層的一個標準。沒有規定接口插件電纜以及使用的協議，所以只要我們使用的接口插件電纜符合串口標準就可以在實際中靈活使用，在串口接口標準上使用各種協議進行通訊及設備控制。
以上我們了解了串口的協議，而我們日常工作中接觸最多的是實際的一些設備的外部接口，我們如何從外形上就知道它是那種接口呢？制作線纜各針腳如何定義？上面我們知道了串口RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。從我們實際工作中碰到的使用最多的插口有三種DB9 DB25 RJ45，上面三種插口插件都可以用作串行通訊接口插口插件，也可以通過線纜進行插口之間的轉換。下面我們就三種插口的針腳定義分別說明，三個插口之間的轉換也只要按照插口定義的線纜跳接即可。
* DB9（9腳插口插座）
* DB25（25腳插口插座）
* 還有一種插口是RJ45，比如湖北臺使用的品尼高mss1600、mss700視頻服務器的編解碼板控制口都為串口，插口是RJ45的，而播控機的串口插口是DB9，因此我們就需要使用轉換線纜。
RS485 半雙工接法為：RX+ 和TX+ 并聯為數據+；RX- 和小行星775 并聯為Data-。RS485 全雙工/RS422 接法為：FULL 和GND 短接；信號線為RX+，TX+，RX-，TX-，可根據需要連接GND。
擴展
串行通訊接口的擴展，我們知道一般一臺計算機有兩個串口，而對于一臺播控計算機需要控制的設備遠遠不止兩臺設備，我們需要同時控制視頻服務器，錄像機、切換臺、字幕機等各種設備。所以我們就需要對串口進行擴展，我們可以使用串口擴展卡對串口進行擴展，比如我們在播控系統中使用的串口擴展卡moxa CI-134。
MOXA CI-134是專為工業環境通信應用設計的 RS-422/485 四串口卡。它支持4個獨立的RS-422/485串行通訊接口，在一對多點的通信應用下，最多可控制128 個設備。為使RS-485 2線半雙工操作變得更加簡單，每片 CI-134 卡都具有數據流向自動控制（ADDC），不需軟件操作。因此，在Windows應用下不需額外的編碼就能控制RS-485半雙工協議。為達到工業環境對高可靠性產品的要求，本系列產品提供可選擇的光電隔離（2 KV）和浪涌保護（25 KV ESD）功能。
該產品特點包括：可選擇光電隔離（2KV）和浪涌保護（25KV ESD）功能；提供數據流向自動控制ADDC （Automatic 數據 Direction ctrl）功能；RS-485 數據控制l: ADDC 或通過 RTS控制；內建終端電阻；采用芯片硬件流量控制，保證數據不流失；采用先進 ASIC 設計，返修率低；支持眾多常見的操作系統。
應用
我們知道串行通訊接口RS232有效傳輸距離為15米， RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mbps。我們播控中使用的錄像機如DVCPRO、IMX控制接口有RS232、RS422多個接口供選擇，如果使用pin9則為RS422接口，視頻服務器編解碼口控制都是RS422接口，只是插口為RJ45不是DB9的，需要轉換線纜進行轉換。因此我們在控制中根據以上特性可以靈活使用，我們由于主備控制切換的需要，以及距離的考慮統一選用RS422倒換開關進行倒換，控制RS422倒換開關的為RS232控制接口，這個直接由播控機本身的COM口來控制倒換開關進行倒換，其他控制錄像機、切換臺、視頻服務器編解碼卡使用MOXA卡擴展的RS422接口進入RS422倒換開關進行倒換。
整個系統中只有RS422倒換開口控制是播控機的COM（RS232）口控制，其他都是MOXA卡擴展的RS422接口，由于應急開關需要RS232所以在應急開關前面加了一個RS422轉RS232的轉換器。通過控制線播控機可以及時發出播控指令，也可以隨時讀取錄像機、切換臺、還有視頻服務器的狀態。以上只是播控機房的系統控制圖。上載、總控機房的系統控制大致和這相同。
RS422總線、RS485和RS422電路原理基本相同，都是以差動方式發送和接受，不需要數字PE線。差動工作是同速率條件下傳輸距離遠的根本原因，這正是二者與RS232的根本區別，因為RS232是單端輸入輸出，雙工工作時至少需要數字地線、發送線和接受線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完成同步等功能。RS422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發互不影響，而RS485只能半雙工工作，發收不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。以上三種接口各有缺點，在實際工作中可以根據需要靈活選用。
異步通信
1、串行異步通信時的數據格式
異步方式通信ASYNC（AsynchronousDataCommunication）,又稱起止式異步通信，是計算機通信中最常用的數據信息傳輸方式。它是以字符為單位進行傳輸的，字符之間沒有固定的時間間隔要求，而每個字符中的各位則以固定的時間傳送。收、發雙方取得同步的方法是采用在字符格式中設置起始位和停止位。在一個有效字符正式發送前，發送器先發送一個起始位，然后發送有效字符位，在字符結束時再發送一個停止位，起始位至停止位構成一幀。
串行異步傳輸時的數據格式：
⑴起始位：起始位必須是持續一個比特時間的邏輯“0”電平，標志傳送一個字符的開始。
⑵數據位：數據位為5-8位，它緊跟在起始位之后，是被傳送字符的有效數據位。傳送時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。數據位究竟是幾位，可由硬件或軟件來設定。
⑶奇偶位：奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，也可以不設奇偶位。
⑷停止位：停止位為1位、1.5位或2位，可有軟件設定。它一定是邏輯“1”電平，標志著傳送一個字符的結束。
⑸空閑位：空閑位表示線路處于空閑狀態，此時線路上為邏輯“1”電平。空閑位可以沒有，此時異步傳送的效率為最高。
2、串行異步通信時的數據接收
串行異步通信時，接收方不斷地檢測或監視串行輸入線上的電平變化，當檢測到有效起始位出現時，便知道接著是有效字符位的到來，并開始接收有效字符，當檢測到停止位時，就知道傳輸的字符結束了。經過一段隨機時間間隔之后，又進行下一個字符的傳送過程。通常接收端的采樣時鐘周期要比傳輸字符的位周期短，常用的采樣時鐘頻率為位頻率的16倍，采取這種措施是為了提高抗干擾能力，參看圖8.19所示。從圖中可知，傳輸字符的位周期Td等于采樣時鐘周期Tc的16倍。接收器的采樣時鐘的每個上升沿對輸入信號進行采樣，檢驗接收數據線上的低電平是否保持8或9個連續的時鐘周期，以確定傳輸線上的低電平是否是真的起始位。這樣就可以避免噪聲干擾引起的誤操作，從而刪除假的起始位。相當精確地確定起始位的中間點，從而提供一個時間基準，從這個基準開始，每隔16個Tc對其余數據位采樣，以確保傳輸數據的正確性。
接收端為實現采樣數據的基準，可以執行以下步驟：
⑴在接收端設置一采樣時鐘頻率計數器，當檢測到起始位下降沿時，將其清零，并開始對采樣時鐘計數，即每來一個時鐘，計數器加1。
⑵當計數器計到8時，表示已到達起始位的中間位置，此時采樣值為0，說明是真正的起始位，同時將計數器清零；若采樣值不為0，則說明一開始檢測到的下降沿不是真正的起始位前沿，而是一次干擾，此次檢測應作廢，計數器清零，并重新開始檢測起始位。
⑶檢測到真正的起始位后，計數器清零，以后每次計到16時，便采樣收到的信號波形（即每一位的中間），將采到的數值暫存起來，同時將計數器清零，重新計數，直至最后的停止位被采樣。
⑷如果停止位采樣正確（為1），則字符被接收，并由暫存器裝入寄存器。若停止位采樣值為0，說明同步或傳輸有問題，此次采樣所得字符作廢，不被接收。
異步通信的特點
⑴起止式異步通信協議傳輸數據對收發雙方的時鐘同步要求不高，即使收、發雙方的時鐘頻率存在一定偏差，只要不使接收器在一個字符的起始位之后的采樣出現錯位現象，則數據傳輸仍可正常進行。因此，異步通信的發送器和接收器可以不用共同的時鐘，通信的雙方可以各自使用自己的本地時鐘。
⑵實際應用中，串行異步通信的數據格式，包括數據位的位數、校驗位的設置以及停止位的位數都可以根據實際需要，通過可編程串口調試軟件電路，用軟件命令的方式進行設置。在不同傳輸系統中，這些通信格式的設定完全可以不同；但在同一個傳輸系統的發送方和接收方的設定必須一致，否則將會由于收、發雙方約定的不一致而造成數據傳輸的錯誤與混亂。
⑶串行異步通信中，為發送一個字符需要一些附加的信息位，如起始位、校驗位和停止位等。這些附加信息位不是有效信息本身，它們被稱為額外開銷或通信開銷，這種額外開銷使通信效率降低。例如一個字符由7位組成，加上一位起始位、一位校驗位和一位停止位，發送一個字符必須發送10位，而其中只有7位是有效的，其余3位不是有效的，使通信能力的30%成了額外開銷。所以異步通信適用于傳送數據量較少或傳輸要求不高的場合。對于快速、大量信息的傳輸，一般采用通信效率較高的同步通信方式。
⑷串行異步通信依靠對每個字符設置起始位和停止位的方法，使通信雙方達到同步。
通信協議
普遍協議
最被人們熟悉的串行通信技術標準是EIA－232、EIA-422和EIA－485，也就是以前所稱的RS-232、RS-422和RS-485。由于EIA提出的建議標準都是以“RS”作為前綴，所以在工業通信領域，仍然習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。
EIA－232、EIA-422和EIA－485都是串行數據接口標準，最初都是由EIA（EIA）制訂并發布的，EIA-232在1962年發布，后來陸續有不少改進版本，其中最常用的是EIA-232-C版。
目前EIA-232是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串口調試軟件。EIA-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準。EIA-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。標準規定，EIA－232的傳送距離要求可達50英尺（約15米），最高速率為20kbps。
由于EIA-232存在傳輸距離有限等不足，于是EIA-422誕生了。EIA-422標準全稱是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”，它定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（約1219米），并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。當然，EIA－422也有缺陷：因為其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，所以在100kbps速率以內，傳輸距離才可能達到最大值，也就是說，只有在很短的距離下才能獲得最高傳輸速率。一般在100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。另外有一點必須指出，在EIA-422通信中，只有一個主設備（Master），其余為從設備（Salve），從設備之間不能進行通信，所以EIA-422支持的是點對多點的雙向通信。
為擴展應用范圍，EIA于1983年在EIA-422基礎上制定了EIA-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485A標準。
由于EIA-485是從EIA-422基礎上發展而來的，所以EIA-485許多電氣規定與EIA-422相仿，如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻、最大傳輸距離約為1219米、最大傳輸速率為10Mbps等。但是，EIA-485可以采用二線與四線方式，采用二線制時可實現真正的多點雙向通信，而采用四線連接時，與EIA-422一樣只能實現點對多點通信，但它比EIA-422有改進，無論四線還是二線連接方式總線上可接多達32個設備。
USB
USB是英文UniversalSerialBus的縮寫，翻譯成中文的含義是“USB”。
從技術上看，USB是一種串行總線系統，它的最大特性是支持PnP和熱插拔功能。在Windows 2000的操作系統中，任何一款標準的USB設備可以在任何時間、任何狀態下與計算機連接，并且能夠馬上開始工作。
USB誕生于1994年，是由康柏電腦、IBM、英特爾和微軟共同推出的，旨在統一外設接口，如打印機、外置Modem、掃描儀、鼠標等的接口，以便于用戶進行便捷的安裝和使用，逐步取代以往的串行通訊接口、并口和PS/2接口。
發展至今，USB共有四種種標準：1996年發布的USB1.0，1998年發布的USB1.1以及剛剛發布的最新標準USB2.0，2008年USB3.0PromoterGroup宣布新一代USB3.0標準已經正式完成并公開發布。此四種標準最大的差別就在于數據傳輸速率方面，當然，在其他方面也有不同程度的改進。就目前的USB3.0而言，最大傳輸帶寬高達5.0Gbps，也就是640MB/s，同時能夠兼容USB2.0。
目前在IT領域，USB接口可謂春風得意。人們在市場上可以看到，每一款計算機主板都帶有不少于2個USB接口，USB打印機、USB調制解調器、USB鼠標、USB音箱、USB存儲器等產品越來越多，USB接口已經占據了串行通信技術的壟斷地位。
但是，在工業領域，使用USB接口的產品則甚為少見。在工業領域，人們更要求產品的可靠性和穩定性，目前，EIA標準下的串行通信技術完全可以滿足人們對工業設備傳輸的各種性能要求，而且，這些產品價格非常低廉。相比之下，USB價格較高，并且其PnP的功能在工業通信中沒有優勢。因為工業設備一般連接好以后很少進行重復插拔，USB特性的優越性不能很好地被體現出來，也就得不到工業界的普遍認可。因此，在工業領域，EIA標準依然占據統治地位。
IEEE1394
IEEE1394是一種與平臺無關的串行通信協議，標準速度分為100Mbps、200Mbps和400Mbps，是IEEE（電氣與電子工程師協會）于1995年正式制定的總線標準。目前，1394商業聯盟正在負責對它進行改進，爭取未來將速度提升至800Mbps、1Gbps和1.6Gbps這三個檔次。相比于EIA接口和USB接口，IEEE1394的速度要高得多，所以，IEEE1394也稱為高速串行總線。
IEEE1394提供了一種高速的PnP總線。接入這條總線，各種外設便不再需要單獨供電，它也支持等時的數據傳輸，是將計算機和消費類電器連接起來的重要橋梁。例如，用戶可以在計算機上接駁一部數字vcr，把它當作一個普通的外設使用，既可用來播放電影，亦可以錄制在計算機上編輯視頻流。除此以外，帶有IEEE1394接口的DV（數字視頻）攝影機和數字衛星接收器目前均已上市。由于速度非常快，所以它是消費類影音（A/V）電器、存儲、打印、高分辨率掃描和其他便攜設備的理想選擇。
從技術上看，IEEE1394具有很多優點，首先，它是一種純數字接口，在設備之間進行信息傳輸的過程中，數字信號不用轉換成模擬信號，從而不會帶來信號損失；其次，速度很快，1Gbps的數據傳輸速度可以非常好地傳輸高品質的多媒體數據，而且設備易于擴展，在一條總線中，100Mbps、200Mbps和400Mbps的設備可以共存；另外，產品支持熱插拔，易于使用，用戶可以在開機狀態下自由增減IEEE1394接口的設備，整個總線的通信不會受到干擾。
有關動態
IEEEP802.3bs400Gbs工作組在最近的IEEE802.1/IEEE802.3聯合會議上同意采用基于4波長100Gbps的新的單模光纖PMD（物理層媒介關聯）技術標準。這意味著持續數月的關于串行100Gbps技術是否足夠成熟的討論暫時告一段落。lightwave1月份的文章曾經報道過當時只有三分之一的成員同意這一標準，另外三分之一支持8X50Gbps。
IEEEP802.3bs工作組成員投票采用基于PAM-4調制技術的4X100GbpsPMD格式，500米傳輸。這種技術類似于PSM4MSA采用的4X25Gbps格式。此次投票還通過了8x50Gbps10公里的標準，這種格式也采用了PAM-4調制。調制格式上，此前曾考慮過PAM16和PAM8，但這次PAM-4占了上風。
IEEEP802.3bs工作組近期工作主要圍繞制定100米多模光纖，500米單模光纖，2公里單模光纖，10公里單模光纖的相關標準。在多模光纖應用上，16X25Gbps的NRZ格式獲得了迅速通過。但是單模光纖應用方面，關于50Gbps還是100Gbps單波長，調制采用NRZ還是什么PAM-4，DMT都一直在激烈辯論。
在400Gbps模塊中引入4X100Gbps沿襲了IEEE802.3ba的4X10bps以及4X25Gbps采用4路復用的傳統，而且只采用4路激光器和探測器能夠降低成本。對于4X100Gbps的電接口，有此前制定的PMA（物理層媒介連接Attachment）子層也不是大問題。但是100Gbps串行技術的實現離不開DSP，現有DSP技術的功耗和尺寸都是挑戰。
干擾因素
串行通信工作場所多處于強電/戶外等復雜環境，并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，由于串行通信的數據位采樣/獲取特點，位信息受干擾，整個字節數據就是錯誤信息。
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、功率發射臺等。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，由于噪聲(干擾)在信號電平上的疊加，引發了通信雙方數據錯誤。
（2）系統噪聲
串行通信依賴于串行通信芯片。由于芯片的設計工藝與制作水平，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）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。由于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。
（4）地回路與參考地電位
通信雙方共地應用中，由于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。
隔離方法
隔離的現實需要
串行通信由于其工作特點（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、戶外等）、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，而且隨著不同工作電壓的數字IC的不斷涌現，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）屏蔽干擾，線路隔離由于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通信中由于其采用單端信號傳輸模式，當通信雙方的不同PE線之間的地電勢不一致時，就會引入共模干擾電壓，造成通信的不穩定。
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。
隔離的方法應用
（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采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器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）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（光電器件）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。由于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，受限于器件特點，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。
（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。
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蕩器產生的高頻載波與PWM調制，通過差分方式進行調制傳輸。輸出端低通濾波去除高頻載波。高頻信號則不經過調制編碼，差分變換后直接通過隔離層傳輸，輸出端通過時間關系進行邏輯決策，從而控制輸出多路選擇器正確輸出。
磁耦隔離
磁耦隔離，利用了變壓器原理，使用變壓器一次側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。亞德諾半導體的iCoupler專利技術，就是基于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。
iCoupler磁隔離技術，通過芯片內部特征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。信號傳輸采用了特定短脈沖組合方式來表示高低電平。兩個連續的短脈沖表示高電平，單個短脈沖表示低電平。輸出端根據檢測脈沖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。
射頻隔離
射頻隔離，利用了無線射頻傳輸原理。在發送端，完成基于高頻信號的原始信號調制，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。通過這樣的調制與解調，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。
RF隔離采用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射頻調制信號；輸入數據為低電平時，發生器無RF射頻調制信號。調制信號經過隔離隔柵送到接收器。接收器檢測到同頻帶調制信號時，經解調器解調，輸出高電平；無調制信號時，輸出低電平。
參考資料 >