[发明专利]串行通信协议

说明书

技术领域

本发明涉及通信网络，并且具体地，涉及改进异步串行数据网络中的元素同步。

背景技术

在数据通信中有两种不同的格式用于数据传输：串行和并行。在串行数据传输中，数据通过单个通信信道或链路例如电线，光纤或无线连接一次传输一个符号。在并行数据传输中，在对应的多个信道上同时传输多个符号。数据通常被表示为二进制格式，并且符号可以编码1或者更多个二进制数据位，如1或0。

串行通信优于并行通信的一个优势是实现串行接口需要较少的物理资源，如发送和接收电路、印刷电路板面积、集成电路管脚、连接器和电缆。简言之，串行接口有利于实施低成本、紧凑且便携式的系统。例如，一些电池管理系统包括大量的串联锂离子电池单元。在这些系统中，数以百计的3-4伏（V）电池单元可串联到电压高达800V或更高的电池组。这些电池管理系统用在一些应用中，如混合动力汽车、公共汽车、高尔夫球车、叉式升降机、电动船等。

通用异步收发器（UART）是实现串行接口的一种示例设备。UART普遍存在于现代计算和通信中并且在该领域中具有悠久的历史。UART的标准实现存在于RS-232收发器中。RS-232规范追溯到20世纪60年代，当时其首次由美国电子工业协会（EIA）发布。该规范已经随着时间演变，结合更高的数据速率并结束兼容性差距。RS-232规范的当前版本是1977年10月的ETA/TIA-232-F。该协议获益于集成电路（IC）的可用性，集成电路包括以合理的成本处理这些通信的复杂性。

UART包括两个串行信道，一个用于发送数据并且另一个用于接收数据，全双工操作。在UART协议中，数据以帧的形式发送，每个符号一位，其中使用非归零（NRZ）编码将数据表示为二进制格式。典型的UART帧包括1个起始位、8个数据位和一个停止位。其他变体也是可能的（附加的停止位、更少的数据位、用于基本误差检测的奇偶校验位等等）。RS-232总线驱动倒置和电平移位，所以逻辑1是总线上的负电压，并且逻辑0是正电压。

UART通常使用时钟逻辑或同步逻辑来构造。术语“异步”的出现是因为时钟信号不作为接口协议的一部分发送。实际上，发送和接收UART的时钟可具有不同的相位和频率。因此，当两个UART通信时，发送机和接收机都必须提前同意符号速率，符号速率也称作波特率。接收UART通过观察开始和停止位识别数据帧的限制，并且根据预定的波特率确定每个位的最佳数据采样点。

UART接收机一般使用过采样时钟来自行同步到数据帧。例如，UART可使用是波特率16倍的采样时钟。通过在起始位开始时的下降沿识别新的帧。UART在这个下降沿使计数器复位，并预期起始位的中间出现在8个时钟周期之后，并且每个后续位的中点出现在其后的每16个时钟周期。在每个中点对位进行采样。另一种方法包括不仅在中点（16个周期中的8周期）对每个位采样一次，还在中点之前和之后的周期（16个周期中的周期7，8，9）采样。对样本应用三选一（vote-of-three），因此避免由于噪音破坏任一样本而导致的数据错误。

当试图正确地发送数据时，发送机和接收机时钟的频率稳定性是担心的问题。如果接收和发送UART时钟频率相隔太远，则可发生数据错误。数据帧的时序基于发送UART的时钟。接收UART根据起始位的检测同步到帧。随着帧中的剩余位被采样，发送机和接收机之间的任何频率不匹配累加，使得位的采样点偏离实际中点。当这个偏离超过位的有效数据窗口的边界并且对该位采样过早或过晚时，导致数据错误。这可以被如下事实加剧，即有效数据窗口被例如由长的、电容性的RS-232总线引起的有限（并且通常慢的）传输上升和下降时间减小，导致在接近电平已经稳定的中点的位置采样变得更重要。时钟频率容限一般描述为百分比的形式。例如，在正常情况下，发送机和接收机之间的频率不匹配不应超过约3-4%；精确的容限取决于过采样频率和位的有效数据窗口的大小。超过该不匹配导致和起始位的初始同步之后数据采样点的累积漂移，并且可导致采样错误，例如在位过渡的未定义区域采样或者甚至采样错误的位。