兩種基本串行通信方式的基本原理及應(yīng)用分析

串口是串行接口(serial port)的簡稱，也稱為串行通信接口或COM接口。

串口通信是指采用串行通信協(xié)議(serial communication)在一條信號線上將數(shù)據(jù)一個(gè)比特一個(gè)比特地逐位進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ健?/p>

串口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來劃分，包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

1.串行通信

在串行通信中，數(shù)據(jù)在1位寬的單條線路上進(jìn)行傳輸，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)要分為8次，由低位到高位按順序一位一位的進(jìn)行傳送。串行通信的數(shù)據(jù)是逐位傳輸?shù)模l(fā)送方發(fā)送的每一位都具有固定的時(shí)間間隔，這就要求接收方也要按照發(fā)送方同樣的時(shí)間間隔來接收每一位。不僅如此，接收方還必須能夠確定一個(gè)信息組的開始和結(jié)束。

常用的兩種基本串行通信方式包括同步通信和異步通信。

1.1串行同步通信

同步通信(SYNC:synchronous data communication)是指在約定的通信速率下，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘信號頻率和相位始終保持一致(同步)，這樣就保證了通信雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)具有完全一致的定時(shí)關(guān)系。

同步通信把許多字符組成一個(gè)信息組(信息幀)，每幀的開始用同步字符來指示，一次通信只傳送一幀信息。在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)還需要傳輸時(shí)鐘信號，以便接收方可以用時(shí)針信號來確定每個(gè)信息位。同步通信的優(yōu)點(diǎn)是傳送信息的位數(shù)幾乎不受限制，一次通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有幾十到幾千個(gè)字節(jié)，通信效率較高。同步通信的缺點(diǎn)是要求在通信中始終保持精確的同步時(shí)鐘，即發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘要嚴(yán)格的同步(常用的做法是兩個(gè)設(shè)備使用同一個(gè)時(shí)鐘源)。

在后續(xù)的串口通信與編程中將只討論異步通信方式，所以在這里就不對同步通信做過多的贅述了。

1.2串行異步通信

異步通信(ASYNC:asynchronous data communication)，又稱為起止式異步通信，是以字符為單位進(jìn)行傳輸?shù)模址g沒有固定的時(shí)間間隔要求，而每個(gè)字符中的各位則以固定的時(shí)間傳送。在異步通信中，收發(fā)雙方取得同步是通過在字符格式中設(shè)置起始位和停止位的方法來實(shí)現(xiàn)的。具體來說就是，在一個(gè)有效字符正式發(fā)送之前，發(fā)送器先發(fā)送一個(gè)起始位，然后發(fā)送有效字符位，在字符結(jié)束時(shí)再發(fā)送一個(gè)停止位，起始位至停止位構(gòu)成一幀。停止位至下一個(gè)起始位之間是不定長的空閑位，并且規(guī)定起始位為低電平(邏輯值為0)，停止位和空閑位都是高電平(邏輯值為1)，這樣就保證了起始位開始處一定會有一個(gè)下跳沿，由此就可以標(biāo)志一個(gè)字符傳輸?shù)钠鹗?。而根?jù)起始位和停止位也就很容易的實(shí)現(xiàn)了字符的界定和同步。顯然，采用異步通信時(shí)，發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨(dú)立，可以互不同步。

下面簡單的說說異步通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程。

1.2.1異步通信的數(shù)據(jù)格式

在介紹異步通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程之前，有必要先弄清楚異步通信的數(shù)據(jù)格式。異步通信規(guī)定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式由起始位(start bit)、數(shù)據(jù)位(data bit)、奇偶校驗(yàn)位(parity bit)和停止位(stop bit)組成，如圖1所示(該圖中未畫出奇偶校驗(yàn)位，因?yàn)槠媾紮z驗(yàn)位不是必須有的，如果有奇偶檢驗(yàn)位，則奇偶檢驗(yàn)位應(yīng)該在數(shù)據(jù)位之后，停止位之前)。

圖1 異步通信數(shù)據(jù)格式

(1)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。

(2)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，一般可以是5位、7位或8位，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0~127(7位)，擴(kuò)展的ASCII碼是0~255(8位)。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

(3)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。

舉例來說，假設(shè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位為01001100，如果是奇校驗(yàn)，則奇校驗(yàn)位為0(要確保總共有奇數(shù)個(gè)1)，如果是偶校驗(yàn)，則偶校驗(yàn)位為1(要確?？偣灿信紨?shù)個(gè)1)。

由此可見，奇偶校驗(yàn)位僅是對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的置邏輯高位或邏輯低位，不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)的判斷，這樣做的好處是接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有可能判斷是否有噪聲干擾了通信以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否同步。

(4)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。

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

1.2.2異步通信的數(shù)據(jù)發(fā)送過程

清楚了異步通信的數(shù)據(jù)格式之后，就可以按照指定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送數(shù)據(jù)了，發(fā)送數(shù)據(jù)的具體步驟如下：

(1)初始化后或者沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，發(fā)送端輸出邏輯1，可以有任意數(shù)量的空閑位。

(2)當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端首先輸出邏輯0，作為起始位。

(3)接著就可以開始輸出數(shù)據(jù)位了，發(fā)送端首先輸出數(shù)據(jù)的最低位D0，然后是D1，最后是數(shù)據(jù)的最高位。

(4)如果設(shè)有奇偶檢驗(yàn)位，發(fā)送端輸出檢驗(yàn)位。

(5)最后，發(fā)送端輸出停止位(邏輯1)。

(6)如果沒有信息需要發(fā)送，發(fā)送端輸出邏輯1(空閑位)，如果有信息需要發(fā)送，則轉(zhuǎn)入步驟(2)。

1.2.3異步通信的數(shù)據(jù)接收過程

在異步通信中，接收端以接收時(shí)鐘和波特率因子決定每一位的時(shí)間長度。下面以波特率因子等于16(接收時(shí)鐘每16個(gè)時(shí)鐘周期使接收移位寄存器移位一次)為例來說明。

(1)開始通信，信號線為空閑(邏輯1)，當(dāng)檢測到由1到0的跳變時(shí)，開始對接收時(shí)鐘計(jì)數(shù)。

(2)當(dāng)計(jì)到8個(gè)時(shí)鐘的時(shí)候，對輸入信號進(jìn)行檢測，若仍然為低電平，則確認(rèn)這是起始位，而不是干擾信號。

(3)接收端檢測到起始位后，隔16個(gè)接收時(shí)鐘對輸入信號檢測一次，把對應(yīng)的值作為D0位數(shù)據(jù)。

(4)再隔16個(gè)接收時(shí)鐘，對輸入信號檢測一次，把對應(yīng)的值作為D1位數(shù)據(jù)，直到全部數(shù)據(jù)位都輸入。

(5)檢驗(yàn)奇偶檢驗(yàn)位。

(6)接收到規(guī)定的數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)和校驗(yàn)位之后，通信接口電路希望收到停止位(邏輯1)，若此時(shí)未收到邏輯1，說明出現(xiàn)了錯(cuò)誤，在狀態(tài)寄存器中置“幀錯(cuò)誤”標(biāo)志;若沒有錯(cuò)誤，對全部數(shù)據(jù)位進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，無校驗(yàn)錯(cuò)時(shí)，把數(shù)據(jù)位從移位寄存器中取出送至數(shù)據(jù)輸入寄存器，若校驗(yàn)錯(cuò)，在狀態(tài)寄存器中置“奇偶錯(cuò)”標(biāo)志。

(7)本幀信息全部接收完，把線路上出現(xiàn)的高電平作為空閑位。

(8)當(dāng)信號再次變?yōu)榈蜁r(shí)，開始進(jìn)入下一幀的檢測。

以上就是異步通信中數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的全過程了。

1.3幾個(gè)概念

為了更好的理解串口通信，我們還需要了解幾個(gè)串口通信當(dāng)中的基本概念。

(1)發(fā)送時(shí)鐘：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入移位寄存器，然后在發(fā)送時(shí)鐘的控制下，將該并行數(shù)據(jù)逐位移位輸出。

(2)接收時(shí)鐘：在接收串行數(shù)據(jù)時(shí)，接收時(shí)鐘的上升沿對接收數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)位檢測，并將其移入接收器的移位寄存器中，最后組成并行數(shù)據(jù)輸出。

(3)波特率因子：波特率因子是指發(fā)送或接收1個(gè)數(shù)據(jù)位所需要的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)。

2.串口接頭

常用的串口接頭有兩種，一種是9針串口(簡稱DB-9)，一種是25針串口(簡稱DB-25)。每種接頭都有公頭和母頭之分，其中帶針狀的接頭是公頭，而帶孔狀的接頭是母頭。9針串口的外觀如圖2所示。

圖2 DB-9外觀圖

由圖2可以看出，在9針串口接頭中，公頭和母頭的管腳定義順序是不一樣，這一點(diǎn)需要特別注意。那么，這些管腳都有什么作用呢?9針串口和25針串口常用管腳的功能說明如圖3所示。

圖3 9針串口和25針串口常用管腳功能說明

3.RS-232C標(biāo)準(zhǔn)

常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232C、RS-422、RS-423和RS-485。其中，RS-232C作為串行通信接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE:data terminal equipment)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE:data communication equipment)間按位串行傳輸?shù)慕涌谛畔?，合理安排了接口的電氣信號?a target="_blank">機(jī)械要求，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1電氣特性

RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號功能都做了規(guī)定，如下：

在TXD和RXD數(shù)據(jù)線上：

(1)邏輯1為-3~-15V的電壓

(2)邏輯0為3~15V的電壓

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：

(1)信號有效(ON狀態(tài))為3~15V的電壓

(2)信號無效(OFF狀態(tài))為-3~-15V的電壓

由此可見，RS-232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與晶體管-晶體管邏輯集成電路(TTL)以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定正好相反。

3.2信號線分配

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口有25條線，其中，4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時(shí)線以及7條備用和未定義線。那么，這些信號線在9針串口和25針串口的管腳上是如何分配的呢?9針串口和25針串口信號線分配如圖4所示。

圖4 9針串口和25針串口信號線分配示意圖

下面對這些信號線做個(gè)簡單的介紹。

(1)數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好(DSR)，有效狀態(tài)(ON)表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備處于可以使用狀態(tài)。

(2)數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(DTR)，有效狀態(tài)(ON)表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備處于可以使用狀態(tài)。

這兩個(gè)設(shè)備狀態(tài)信號有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進(jìn)行通信了，能否開始進(jìn)行通信要由下面的一些控制信號決定。

(3)請求發(fā)送(RTS)，用來表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)請求數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)發(fā)送數(shù)據(jù)。

(4)允許發(fā)送(CTS)，用來表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)已經(jīng)準(zhǔn)備好了數(shù)據(jù)，可以向數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)發(fā)送數(shù)據(jù)，是對請求發(fā)送信號RTS的響應(yīng)。

請求發(fā)送(RTS)和允許發(fā)送(CTS)用于半雙工的通信系統(tǒng)中，在全雙工的系統(tǒng)中，不需要使用請求發(fā)送(RTS)和允許發(fā)送(CTS)信號，直接將其置為ON即可。

(5)數(shù)據(jù)載波檢出(DCD)，用于表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)已接通通信鏈路，告知數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

(6)振鈴指示(RI)，當(dāng)數(shù)據(jù)通信設(shè)備收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時(shí)，使該信號有效(ON)，通知終端，已被呼叫。

(7)發(fā)送數(shù)據(jù)(TXD)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)通過該信號線將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)。

(8)接收信號(RXD)，數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)通過該信號線接收從數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。

(9)地線(SG、PG)，分別表示信號地和保護(hù)地信號線。

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