一文詳解串口&握手的基礎(chǔ)知識(shí)

01

【串口基礎(chǔ)知識(shí)】

串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線Universal Serial Bus或者USB混淆）。大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于RS232的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多GPIB兼容的設(shè)備也帶有RS-232口。同時(shí)，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。

串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過(guò)20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過(guò)2米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá)1200米。

典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：

1、波特率

這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個(gè)bit。當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時(shí)鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。

2、數(shù)據(jù)位

這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0～127（7位）。擴(kuò)展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡(jiǎn)單的文本（標(biāo)準(zhǔn) ASCII碼），那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語(yǔ)“包”指任何通信的情況。

3、停止位

用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。

4、奇偶校驗(yàn)位

在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。

02

【握手基礎(chǔ)知識(shí)】

RS-232通行方式允許簡(jiǎn)單連接三線：Tx、Rx和地線。但是對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，雙方必須對(duì)數(shù)據(jù)定時(shí)采用使用相同的波特率。盡管這種方法對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用已經(jīng)足夠，但是對(duì)于接收方過(guò)載的情況這種使用受到限制。這時(shí)需要串口的握手功能。在這一部分，我們討論三種最常用的RS-232握手形式：軟件握手、硬件握手和Xmodem。

1、軟件握手

我們討論的第一種握手是軟件握手。通常用在實(shí)際數(shù)據(jù)是控制字符的情況，類似于GPIB使用命令字符串的方式。必須的線仍然是三根：Tx、Rx和地線，因?yàn)榭刂谱址趥鬏斁€上和普通字符沒(méi)有區(qū)別，函數(shù)SetXModem允許用戶使能或者禁止用戶使用兩個(gè)控制字符XON和OXFF。這些字符在通信中由接收方發(fā)送，使發(fā)送方暫停。

例如：假設(shè)發(fā)送方以高波特率發(fā)送數(shù)據(jù)。在傳輸中，接收方發(fā)現(xiàn)由于CPU忙于其他工作，輸入buffer已經(jīng)滿了。為了暫時(shí)停止傳輸，接收方發(fā)送XOFF，典型的值是十進(jìn)制19，即十六進(jìn)制13，直到輸入buffer空了。一旦接收方準(zhǔn)備好接收，它發(fā)送XON，典型的值是十進(jìn)制17，即十六進(jìn)制11，繼續(xù)通信。輸入buffer半滿時(shí)，LabWindows發(fā)送XOFF。此外，如果XOFF傳輸被打斷，LabWindows會(huì)在buffer達(dá)到75％和90％時(shí)發(fā)送XOFF。顯然，發(fā)送方必須遵循此守則以保證傳輸繼續(xù)。

2、硬件握手

第二種是使用硬件線握手。和Tx和Rx線一樣，RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一個(gè)作為輸出，另一個(gè)作為輸入。第一組線是RTS （Request to Send）和CTS（Clear to Send）。當(dāng)接收方準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，它置高RTS線表示它準(zhǔn)備好了，如果發(fā)送方也就緒，它置高CTS，表示它即將發(fā)送數(shù)據(jù)。另一組線是DTR（Data Terminal Ready）和DSR（Data Set Ready）。這些現(xiàn)主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他們的狀態(tài)。例如：當(dāng)Modem已經(jīng)準(zhǔn)備好接收來(lái)自PC的數(shù)據(jù)，它置高DTR線，表示和電話線的連接已經(jīng)建立。讀取DSR線置高，PC機(jī)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則是DTR/DSR用于表示系統(tǒng)通信就緒，而RTS/CTS用于單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸。

在LabWindows，函數(shù)SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。如果CTS模式使能，LabWindows使用如下規(guī)則：當(dāng)PC發(fā)送數(shù)據(jù)：RS-232庫(kù)必須檢測(cè)CTS線高后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)PC接收數(shù)據(jù)：
如果端口打開(kāi)，且輸入隊(duì)列有空接收數(shù)據(jù)，庫(kù)函數(shù)置高RTS和DTR。
如果輸入隊(duì)列90％滿，庫(kù)函數(shù)置低RTS，但使DTR維持高電平。
如果端口隊(duì)列近乎空了，庫(kù)函數(shù)置高RTS，但使DRT維持高電平。
如果端口關(guān)閉，庫(kù)函數(shù)置低RTS和DTR。

3、XModem握手

最后討論的握手叫做XModem文件傳輸協(xié)議。這個(gè)協(xié)議在Modem通信中非常通用。盡管它通常使用在Modem通信中，XModem協(xié)議能夠直接在其他遵循這個(gè)協(xié)議的設(shè)備通信中使用。在LabWindows中，實(shí)際的XModem應(yīng)用對(duì)用戶隱藏了。只要PC和其他設(shè)備使用XModem協(xié)議，在文件傳輸中就使用LabWindows的XModem函數(shù)。函數(shù)是XModemConfig，XModemSend和XModemReceive。

XModem使用介于如下參數(shù)的協(xié)議：start_of_data、end_of_data、neg_ack、wait_delay、 start_delay、max_tries、packet_size。這些參數(shù)需要通信雙方認(rèn)定，標(biāo)準(zhǔn)的XModem有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的定義：然而，可以通過(guò) XModemConfig函數(shù)修改，以滿足具體需要。這些參數(shù)的使用方法由接收方發(fā)送的字符neg_ack確定。這通知發(fā)送方其準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。它開(kāi)始嘗試發(fā)送，有一個(gè)超時(shí)參數(shù)start_delay；當(dāng)超時(shí)的嘗試超過(guò)max_ties次數(shù)，或者收到接收方發(fā)送的start_of_data，發(fā)送方停止嘗試。如果從發(fā)送方收到start_of_data，接收方將讀取后繼信息數(shù)據(jù)包。

包中含有包的數(shù)目、包數(shù)目的補(bǔ)碼作為錯(cuò)誤校驗(yàn)、packet_size字節(jié)大小的實(shí)際數(shù)據(jù)包，和進(jìn)一步錯(cuò)誤檢查的求和校驗(yàn)值。在讀取數(shù)據(jù)后，接收方會(huì)調(diào)用wait_delay，然后想發(fā)送方發(fā)送響應(yīng)。如果發(fā)送方?jīng)]有收到響應(yīng)，它會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到收到響應(yīng)或者超過(guò)重發(fā)次數(shù)的最大值max_tries。如果一直沒(méi)有收到響應(yīng)，發(fā)送方通知用戶傳輸數(shù)據(jù)失敗。

由于數(shù)據(jù)必須以pack_size個(gè)字節(jié)按包發(fā)送，當(dāng)最后一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，如果數(shù)據(jù)不夠放滿一個(gè)數(shù)據(jù)包，后面會(huì)填充ASCII碼NULL（0）字節(jié)。這導(dǎo)致接收的數(shù)據(jù)比原數(shù)據(jù)多。在XModem情況下一定不要使用XON/XOFF，因?yàn)閄Modem發(fā)送方發(fā)出包的數(shù)目很可能增加到XON/OFF控制字符的值，從而導(dǎo)致通信故障。

審核編輯：劉清