硬件知識(shí)：串口通信基礎(chǔ)知識(shí)介紹

一、串行通訊與并行通訊在通信和計(jì)算機(jī)科學(xué)中，串行通信(SerialCommunication)是一個(gè)通用概念，泛指所有的串行的通信協(xié)議，如RS232、RS422、RS485、USB、I2C、SPI等。串行通訊是指僅用一根接收線(xiàn)和一根發(fā)送線(xiàn)就能將數(shù)據(jù)以位進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通訊方式。盡管串行通訊的比按字節(jié)傳輸?shù)牟⑿型ㄐ怕?，但是串口可以在僅僅使用兩根線(xiàn)的情況下就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。圖1串行通信與并行通信二、串口通訊模式串口通訊模式包括單工、半雙工和全雙工，其中單工模式數(shù)據(jù)傳輸只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸。半雙工模式允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但某一時(shí)刻只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，實(shí)際上是一種切換方向的單工通信，不需要獨(dú)立的接收端和發(fā)送端，兩者可合并為一個(gè)端口。詳見(jiàn)下圖：圖2(a)單工、(b)半雙工、(c)全雙工三、串口通訊協(xié)議最初數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)輸出簡(jiǎn)單過(guò)程量，后來(lái)儀表接口出現(xiàn)了RS232接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，這就促生了RS422和RS485。我們知道串口通信的數(shù)據(jù)傳輸都是0和1，在單總線(xiàn)、I2C、UART中都是通過(guò)一根線(xiàn)的高低電平來(lái)判斷邏輯1或者邏輯0，但這種信號(hào)線(xiàn)的GND再與其他設(shè)備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產(chǎn)生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。所以差分通信、支持多機(jī)通信、抗干擾強(qiáng)的RS422和RS485就被廣泛的使用了。RS422和RS485通信最大特點(diǎn)就是傳輸速度最大可以達(dá)到10Mb/s以上，最大傳輸距離超過(guò)1000米。大家需要注意的是雖然485最大速度和最大傳輸距離都很大，但是傳輸?shù)乃俣仁菚?huì)隨距離的增加而變慢的，所以?xún)烧呤遣豢梢约娴玫摹Ｋ?、RS232詳細(xì)介紹1.RS232的基本特性RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA:ElectronicIndustriesAlliance）制訂并發(fā)布的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。特性如下：圖3RS232基本特性2.RS232的物理特性在RS232的通訊方式中，兩個(gè)通訊設(shè)備的"DB9接口"之間通過(guò)串口信號(hào)線(xiàn)建立起連接，串口信號(hào)線(xiàn)中使用"RS-232標(biāo)準(zhǔn)"傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。D型或D-subminiature（D形狀超小型）連接器的原始編號(hào)系統(tǒng)使用D作為前綴（將其名稱(chēng)命名為系列），然后根據(jù)外殼尺寸選擇A，B，C，D或E，末尾數(shù)字表示引腳數(shù)量。詳見(jiàn)下圖：圖4RS232物理特性3.RS232的通信協(xié)議RS232一般使用DB9接口，由于兩個(gè)通訊設(shè)備之間的收發(fā)信號(hào)(RXD與TXD)應(yīng)交叉相連，所以調(diào)制調(diào)解器端的DB9母頭的收發(fā)信號(hào)接法一般與公頭的相反。DB9公頭、母頭以及引腳說(shuō)明詳見(jiàn)下方圖和表。圖5DB9公頭與母頭表1DB9引腳說(shuō)明4.RS232的波特率在信道中，攜帶數(shù)據(jù)信息的信號(hào)單元叫碼元，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元數(shù)稱(chēng)為碼元傳輸速率，簡(jiǎn)稱(chēng)波特率（BaudRate），其單位是波特（Baud,symbol/s），波特率是傳輸通道頻寬的指標(biāo)。RS232典型的“波特率”是

300/1200/2400/9600/19200/38400/115200/230400等。表2不同BAUDRate對(duì)應(yīng)的RS232通信距離5.RS232的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的串行數(shù)據(jù)，也就是一個(gè)數(shù)據(jù)幀（Dataframe），或者一個(gè)字符幀，包括起始位、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)位前后即幀頭和幀尾，包含一些必要的控制信息。其中，MSB（MostSignificantBit）是指低地址存放最高有效字節(jié)，LSB（LeastSignificantBit）則是低地址存放最低有效字節(jié)。圖6RS232數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起始位：起始位必須是持續(xù)一個(gè)比特時(shí)間的邏輯0電平，標(biāo)志傳輸一個(gè)字符的開(kāi)始，接收方可用起始位使自己的接收時(shí)鐘與發(fā)送方的數(shù)據(jù)同步。數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以由通信雙方共同約定。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。奇偶校驗(yàn)位：奇偶校驗(yàn)位僅占一位，用于進(jìn)行奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)，奇偶檢驗(yàn)位不是必須有的。如果是奇校驗(yàn)，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個(gè)邏輯高位；如果是偶校驗(yàn)，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個(gè)邏輯高位。停止位：停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由軟件設(shè)定。它一定是邏輯1電平，標(biāo)志著傳輸一個(gè)字符的結(jié)束?？臻e位：空閑位是指從一個(gè)字符的停止位結(jié)束到下一個(gè)字符的起始位開(kāi)始，表示線(xiàn)路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來(lái)填充。6.RS232與RS232(TTL)RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)不能直接被控制器直接識(shí)別，所以這些信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識(shí)別的"TTL校準(zhǔn)"的電平信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)通訊。TTL全名是晶體管-晶體管邏輯集成電(Transistor-TransistorLogic)，這種串行通信，對(duì)應(yīng)的物理電平，始終是在0V和Vcc之間，其中常見(jiàn)的Vcc是5V或3.3V。TTL高電平1是>=2.4V，低電平0是<=0.5V（對(duì)于5V或3.3V電源電壓），這里是正邏輯。圖72.54mmPIN排針RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)不能直接被控制器直接識(shí)別，所以這些信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識(shí)別的"TTL"的電平信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)通訊。圖8RS232電平信號(hào)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路圖如下所示：圖9RS232電平信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖五、RS422簡(jiǎn)介RS-422的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了總線(xiàn)接口的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送端：正電平在+2V～+6V之間，表示邏輯狀態(tài)“1”；負(fù)電平在-2V～-6V之間，則表示邏輯狀態(tài)“0”；接收器：(V+)-(V-)≥0.2V，表示信號(hào)“0”；(V+)-(V-)≤0.2V，表示信號(hào)“1”)。RS-422采用全雙工通訊方式，有4根信號(hào)線(xiàn)，收與發(fā)是分開(kāi)的，可以同時(shí)收和發(fā)。適用于兩個(gè)站之間通信，如星型網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)等，不可用于總線(xiàn)網(wǎng)。圖10RS-422全雙工（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）接線(xiàn)方式六、RS485簡(jiǎn)介RS-485的電氣特性與RS-422基本一樣。它采用半雙工通訊方式，有2根信號(hào)線(xiàn)，在半雙工