电路笔记(通信)：UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter+电缆信号完整性改善

UART协议概述

URAT（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）协议用于在两个设备之间进行数据传输。UART协议因其简单性和广泛应用而成为串行通信的一个基本选择，适合各种数据传输需求的应用。

异步传输

定义: UART是一种异步串行通信协议，这意味着数据在传输过程中不依赖于时钟信号，而是通过约定的波特率（baud rate）来同步数据传输。
定义: 波特率是指每秒传输的比特数。常见的波特率有9600、19200、38400、115200等等。

数据帧结构

帧格式: UART数据传输是以数据帧为单位的。一个典型的数据帧包括以下几个部分：

1 Bits	5-9 Bits	0-1 Bits	1-2Bits（还有0.5、1.5）
起始位	数据位	奇偶校验位	停止位

起始位（Start Bit）: 一个低电平信号，用于表示数据传输的开始。
数据位（Data Bits）: 实际传输的数据，通常为5到9位。
奇偶校验位（Parity Bit）: 可选的位，用于错误检测。可以是偶校验、奇校验或无校验。
停止位（Stop Bit）: 一个或多个高电平信号，用于标识数据传输的结束。
示例: 如果数据位为8位、没有奇偶校验位，且使用1个停止位，则一个完整的数据帧会包括：1个起始位 + 8个数据位 + 1个停止位。

UART中不同校验方法（其中奇偶校验可通过异或实现）：

校验方法	描述	校验位数量	用途
NONE	不使用任何校验位	0	数据传输不进行错误检查
EVEN	校验位使数据的1位总数为偶数	1	检测偶数个错误位
ODD	校验位使数据的1位总数为奇数	1	检测奇数个错误位
SPACE	校验位始终为0	1	主要用于某些特定的通信协议
MARK	校验位始终为1	1	主要用于某些特定的通信协议

通信流程

发送: 发送方将数据帧按照上述格式发送到接收方。每个数据位是串行传输的，意味着一位接一位地传输。
接收: 接收方接收数据帧并解析数据位。起始位和停止位帮助接收方确定数据的边界和正确性。
UART连接示意图
- 下面是一个简化的图示，展示了两个MCU通过UART进行通讯的连接方式

      +-------------------+                  +-------------------+|      MCU1         |                  |      MCU2         ||                   |                  |                   ||                   TX  ------------> RX                   |  |                   RX  <------------ TX                   |  |                   GND ------------- GND                  |  |                   |                  |                   |+-------------------+                  +-------------------+

- 两个MCU都是TX发射端连接到RX接收端，GND连接确保两个MCU有共同的地线参考电压，以稳定通信（一个连接示例：电路笔记 : esp32pico-d4 焊接（16pin的typec、esp32pico-d4芯片））。
- 如果电平不兼容（如TTL电平和RS-232电平），则需要使用电平转换器。在与个人电脑进行串口通讯时一般会用到USB转串口芯片，如CH340。

优缺点

优点:
- 简单: UART协议实现简单，易于理解和使用。
- 无需额外时钟线: 通过波特率匹配进行同步，不需要额外的时钟信号线。
- 广泛支持: 许多设备和微控制器都支持UART。
缺点:
- 同步问题: 由于没有共享的时钟信号，波特率不匹配可能导致数据传输错误。
- 距离限制: UART适用于短距离通信，长距离传输可能需要额外的信号增强或转换器。
- 无内建错误校正: UART协议本身不提供数据校正功能（虽然奇偶校验可以提供基本的错误检测）。

同步和流控

尽管异步串口通信不依赖于时钟信号来同步数据传输，但在实际应用中，常用一些流控机制来避免数据丢失或接收溢出。例如：
软件流控 (XON/XOFF)：通过发送特定的控制字符来暂停或恢复数据传输。
硬件流控 (RTS/CTS)：使用额外的信号线来控制数据流。

常见UART实现方式

TTL Serial

TTL Serial 是基于逻辑电平的串口通信协议。它使用0V（逻辑低，0v-0.4v）和+5V（或+3.3V，2.4v-5v）表示数据的0和1，通常用于嵌入式系统和微控制器的串行通信。
使用 TTL 电平的串行通信通常成本较低。许多微控制器和外围设备支持 TTL Serial。
TTL 电平信号适用于短距离通信，长距离传输可能需要转换。正常情况下，通讯距离：TTL < RS232 < 485。

RS-232

RS-232接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。RS-232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3～-12V；逻辑“0”：+3～+12V，噪声容限为2V。（那上边中间的图可能画错了）
信号电平值较高，使用不当容易损坏接口芯片
传输速率较低，用于以较低波特率(<20kbps)提高串行通信距离。
传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。
RS-232标准常用的数据传输速率为每秒300、1200、2400、9600 和 19,200 波特。对于控制信号，通过过渡区域的传输时间应小于 1 毫秒。对于数据和定时信号，通过过渡区域的传输时间应小于 1 毫秒

RS-485

用于多点通信和长距离传输。1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。
RS485采用差分信号负逻辑，+2V～+6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制是全双工通讯方式，两线制是半双工通讯方式。
RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，即抗噪声性能好。
根据https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/full-guide-to-serial-communication-protocol-and-our-rs485–maxim-integrated.html的描述，RS485接口的最大传输距离标准值4000英尺，最大传输速度为 10Kbps。但是为了让“bit”能被探测到而不会出现过多的抖动（边沿过渡需要快速且干净）。如果对方波（“101010…”的位模式）进行傅里叶级数分析，你会发现高于第11次谐波的成分也是显著的。300米电缆的插入损耗会衰减高频信号，从而导致失真。如果你尝试使用标准的RS-485收发器（如SN75176B）在300米的屏蔽双绞线上进行10Mbps的数据传输，高频衰减将导致边沿过渡变慢，信号被模糊化。在接收端，信号将严重失真，与发射端实际传输的信号大相径庭。由于这种失真，接收器检测到边沿过渡的时间存在不确定性，从而导致接收器输出端的抖动过大。添加链接描述

改善信号的完整性

电阻和电容和电压范围影响信号的传输距离。虽然在短距离上可以忽略不计，但电缆越长，电流越高，一端的电压变化就越大。电容越高，它就越能抵抗从一个电压电平到另一个电压电平的变化。电容越高，它的变化越慢，信号越圆润。因此，随着速度的提高和距离或电容的增加，信号将开始看起来不像方波，而更像正弦波。由于TTL信号的电平较低，TTL 信号在高干扰环境中可能更容易受到噪声干扰。
当信号通过电缆长距离传输时，信号可能会因电缆的频率特性和损耗而失真。为了改善信号的完整性，通常使用均衡和预失真（也称为强调）两种主要技术

均衡：

均衡是对信号进行调整，以补偿电缆引入的失真。电缆会导致频率依赖性损耗，即高频信号比低频信号衰减得更多。均衡通过在特定频率上增加增益来补偿这些损失，从而使整个信号的频率响应尽可能平坦。
固定均衡（Fixed Equalization）：使用预定义的设置根据已知的电缆特性调整频率增益。
自适应均衡（Adaptive Equalization）：实时动态调整均衡设置，以应对电缆条件和信号失真的变化，从而补偿不同的失真情况。

预失真：（Pre-Distortion，或称为强调）