串口通信基礎(chǔ)知識介紹

一、串行通訊與并行通訊

在通信和計算機科學(xué)中，串行通信(Serial Communication)是一個通用概念，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和一根發(fā)送線就能將數(shù)據(jù)以位進行傳輸?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的情況下就能實現(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)傳輸只支持數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸。半雙工模式允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，但某一時刻只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，實際上是一種切換方向的單工通信，不需要獨立的接收端和發(fā)送端，兩者可合并為一個端口。詳見下圖：

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)是模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口出現(xiàn)了RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(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、I2C、UART中都是通過一根線的高低電平來判斷邏輯1或者邏輯0，但這種信號線的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、支持多機通信、抗干擾強的RS422和RS485就被廣泛的使用了。

RS422和RS485通信最大特點就是傳輸速度最大可以達到10Mb/s以上，最大傳輸距離超過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S距離的增加而變慢的，所以兩者是不可以兼得的。

四、RS232詳細介紹

1.RS232的基本特性

RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標準，是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA: Electronic Industries Alliance）制訂并發(fā)布的工業(yè)標準，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。特性如下：

圖3 RS232基本特性

2.RS232的物理特性

在RS232的通訊方式中，兩個通訊設(shè)備的"DB9接口"之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用"RS-232標準"傳輸數(shù)據(jù)信號。D型或D-subminiature（D形狀超小型）連接器的原始編號系統(tǒng)使用D作為前綴（將其名稱命名為系列），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。詳見下圖：

圖4 RS232物理特性

3.RS232的通信協(xié)議

RS232一般使用DB9接口，由于兩個通訊設(shè)備之間的收發(fā)信號(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)信號接法一般與公頭的相反。DB9公頭、母頭以及引腳說明詳見下方圖和表。

圖5 DB9公頭與母頭

表1 DB9引腳說明

4.RS232的波特率

在信道中，攜帶數(shù)據(jù)信息的信號單元叫碼元，單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)稱為碼元傳輸速率，簡稱波特率（Baud Rate），其單位是波特（Baud,symbol/s），波特率是傳輸通道頻寬的指標。RS232典型的“波特率”是
300/1200/2400/9600/19200/38400/115200 /230400等。

表2 不同BAUD Rate對應(yīng)的RS232通信距離

5.RS232的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一個完整的串行數(shù)據(jù)，也就是一個數(shù)據(jù)幀（Data frame），或者一個字符幀，包括起始位、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位。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（Most Significant Bit）是指低地址存放最高有效字節(jié)，LSB（Least Significant Bit）則是低地址存放最低有效字節(jié)。

圖6 RS232數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

起始位：起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯0電平，標志傳輸一個字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時鐘與發(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)時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

奇偶校驗位：奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，奇偶檢驗位不是必須有的。如果是奇校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個邏輯高位；如果是偶校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個邏輯高位。

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，標志著傳輸一個字符的結(jié)束。

空閑位：空閑位是指從一個字符的停止位結(jié)束到下一個字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來填充。

6.RS232與RS232(TTL)

RS-232電平標準的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經(jīng)過一個"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識別的"TTL校準"的電平信號，才能實現(xiàn)通訊。

TTL全名是晶體管-晶體管邏輯集成電(Transistor-Transistor Logic)，這種串行通信，對應(yīng)的物理電平，始終是在0V和Vcc之間，其中常見的Vcc是5V或3.3V。TTL 高電平1是>=2.4V，低電平0是<=0.5V（對于5V或3.3V電源電壓），這里是正邏輯。

圖7 2.54mm PIN排針

RS-232電平標準的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經(jīng)過一個"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識別的"TTL"的電平信號，才能實現(xiàn)通訊。

圖8 RS232 電平信號轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換電路圖如下所示：

圖9 RS232 電平信號轉(zhuǎn)換電路圖

五、RS422簡介

RS-422 的總線標準規(guī)定了總線接口的電氣特性標準，發(fā)送端：正電平在+2V～+6V之間，表示邏輯狀態(tài)“1”；負電平在-2V～-6V之間，則表示邏輯狀態(tài)“0”；接收器：(V+) - (V-) ≥0.2V，表示信號“0”；(V+) - (V-) ≤0.2V，表示信號“1”)。

RS-422 采用全雙工通訊方式，有4根信號線，收與發(fā)是分開的，可以同時收和發(fā)。適用于兩個站之間通信，如星型網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)等，不可用于總線網(wǎng)。

圖10 RS-422全雙工（點對點）接線方式

六、RS485簡介

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根信號線，在半雙工模式下工作，常用于總線網(wǎng)。其具體接線方式如下圖所示：

圖11 RS485（點對多點）接線方式

七、網(wǎng)絡(luò)電臺串口

以我司機載網(wǎng)絡(luò)電臺為例，綜合接口為J30J-25。其中涉及RS232/RS422/RS485接口引腳說明如下：

表3 機載網(wǎng)絡(luò)電臺綜合接口 J30J-25ZKP

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　　審核編輯：湯梓紅