异步通信技术：原理、协议与应用(上)

一、异步通信的基本概念

异步通信是一种数据传输技术，通信双方无需共享同一时钟信号，而是通过特定的协议和机制实现数据的可靠传输。在异步通信中，发送方和接收方各自使用独立的时钟源，通过预先约定的格式和时序规则来协调数据的传输与接收。这种通信方式具有灵活性高、成本低等优点，广泛应用于计算机系统、通信网络和嵌入式设备中。

异步通信的核心特点

无共享时钟：发送方和接收方使用各自的时钟，无需精确同步

帧结构定义：数据以帧为单位传输，每帧包含起始位、数据位、校验位和停止位

自同步机制：通过起始位和停止位标识数据帧的开始和结束

灵活的数据速率：双方可以在一定范围内独立调整时钟频率

二、异步通信的工作原理

帧结构设计

异步通信的基本单位是数据帧，典型的帧结构包括：

起始位 (Start Bit)：通常为 1 位，低电平表示帧开始

数据位 (Data Bits)：5-9 位，传输实际数据，低位在前

校验位 (Parity Bit)：可选，用于错误检测

停止位 (Stop Bit)：1-2 位，高电平表示帧结束

传输时序

空闲状态：线路保持高电平

起始位：发送方将线路拉低，表示数据帧开始

数据传输：按低位到高位顺序传输数据位

校验位：可选，用于验证数据完整性

停止位：发送方将线路拉高，保持 1-2 位时间

恢复空闲：线路回到高电平，等待下一帧

波特率与比特率

波特率 (Baud Rate)：每秒传输的符号数，单位为波特 (Baud)

比特率 (Bit Rate)：每秒传输的比特数，单位为 bps

关系：比特率 = 波特率 × 每符号比特数

 

在异步通信中，波特率通常与比特率相等（每符号 1 比特），但在调制技术中可能不同。

三、异步通信的关键技术

时钟恢复与同步

由于发送方和接收方使用独立时钟，接收方需要从数据流中恢复时钟信息：

 

过采样技术：接收方使用比发送波特率更高的时钟（通常为 16 倍）采样数据

位中心检测：通过检测起始位的下降沿，确定位周期的中心位置

自适应时钟调整：根据连续采样结果微调接收时钟

错误检测与纠正

异步通信常用的错误检测方法：

 

奇偶校验 (Parity Check)：在数据位后添加一位校验位，使总 1 的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）

循环冗余校验 (CRC)：通过多项式计算生成校验值，提供更高的错误检测能力

超时检测：如果在预期时间内未收到完整帧，判定传输错误

流量控制

为避免接收方缓冲区溢出，异步通信支持多种流量控制机制：

 

硬件流控制：使用额外的信号线（如 RTS/CTS）指示接收方状态

软件流控制：通过特定字符（如 XON/XOFF）控制数据流

自动重传请求 (ARQ)：当检测到错误时，请求发送方重传数据

四、异步通信协议

UART（通用异步收发传输器）

UART 是最常见的异步通信协议，广泛应用于嵌入式系统和计算机外设：

 

特点：全双工、点对点通信

典型应用：串口调试、传感器数据传输、设备间通信

数据格式：支持 5-8 位数据位、1 位奇偶校验位、1-2 位停止位

常见波特率：9600、115200、460800 等

SPI（串行外围设备接口）

SPI 虽然通常被认为是同步协议，但也可实现异步通信：

 

特点：主从结构、高速传输

异步实现：主设备发送数据后，从设备在准备好时返回响应

应用场景：与慢速外设通信、需要双向传输的场景

I²C（集成电路间总线）

I²C 是一种多主从异步通信协议：

 

特点：双向、半双工、使用两根信号线（SDA 和 SCL）

异步机制：通过时钟拉伸 (Clock Stretching) 实现主从时钟协调

应用场景：低速率设备通信、传感器网络

其他协议

Modbus：工业控制系统中常用的异步通信协议

CAN（控制器局域网）：汽车电子和工业控制领域的异步通信协议

USB（通用串行总线）：在某些模式下支持异步数据传输