淺談串口流控技術(shù)

0、串行通信

串行通信技術(shù)(Serial Communication)，是指通信雙方按位bit進(jìn)行，遵守時(shí)序的一種通信方式。串行通信中，將數(shù)據(jù)按位依次傳輸， 每位數(shù)據(jù)占據(jù)固定的時(shí)間長(zhǎng)度，僅用一根接收線和一根發(fā)送線就可以完成系統(tǒng)間交換信息

盡管串行通訊的比按字節(jié)傳輸?shù)牟⑿型ㄐ怕?，但是串口具有通信線路少，布線簡(jiǎn)便易行，施工方便，結(jié)構(gòu)靈活，系統(tǒng)間協(xié)商協(xié)議，自由度及靈活度較高的特點(diǎn)。

同步通信：

同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個(gè)數(shù)據(jù)字符。它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符（CRC）組成。

同步字符位于幀開(kāi)頭，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)字符的開(kāi)始。

數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長(zhǎng)度來(lái)決定；

校驗(yàn)字符有1到2個(gè)，用于接收端對(duì)接收到的字符序列進(jìn)行正確性的校驗(yàn)。

同步通信的缺點(diǎn)是要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。

異步通信：

異步通信中，有兩個(gè)比較重要的指標(biāo)：字符幀格式和波特率，在發(fā)送端和接收端要保持一致。

數(shù)據(jù)通常以字符或者字節(jié)為單位組成字符幀傳送。字符幀由發(fā)送端逐幀發(fā)送，通過(guò)傳輸線被接收設(shè)備逐幀接收。

發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來(lái)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，互不同步。

接收端檢測(cè)到傳輸線上發(fā)送過(guò)來(lái)的低電平邏輯"0"（即字符幀起始位）時(shí)，確定發(fā)送端已開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)接收端收到字符幀中的停止位時(shí)，就知道一幀字符已經(jīng)發(fā)送完畢。

雖然異步技術(shù)使用簡(jiǎn)單,但起始和停止位是額外開(kāi)銷,浪費(fèi)了帶寬。

一、不同接口之間的區(qū)別：

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)
是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。

COM口（串口）
串行接口簡(jiǎn)稱串口，也稱串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口。

(1) D型9針串口（DB9）：RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)

（2）4針串口：TTL電平標(biāo)準(zhǔn)

二、串口通信

典型的串口通信使用3根線完成，分別是地線GND、發(fā)送TXD(transport)、接收RXD(receive)。

由于串口通信是異步的，所以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)。

串口通信（異步）最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶的校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)需要進(jìn)行串口通信的端口，這些參數(shù)必須匹配，這也是能夠?qū)崿F(xiàn)串口通訊的前提。

串口通信(如RS232接口)的數(shù)據(jù)傳輸都是0和1，在單總線、I2C、UART中都是通過(guò)一根線的高低電平來(lái)判斷邏輯1或者邏輯0，但這種信號(hào)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。而差分通信、支持多機(jī)通信、抗干擾強(qiáng)的RS485則能夠?qū)崿F(xiàn)更適合長(zhǎng)距離、高速傳輸。

對(duì)于通訊協(xié)議，最基本的是把它分為物理層和協(xié)議層。

物理層

物理層規(guī)定通訊系統(tǒng)中具有機(jī)械、電子功能部分的特性， 確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳輸。

串口通訊的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)及變種，例如RS-232標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了信號(hào)的用途、通訊接口以及信號(hào)的電平標(biāo)準(zhǔn)。

在上面的通訊方式中，兩個(gè)通訊設(shè)備的"DB9接口"之間通過(guò)串口信號(hào)線建立起連接，串口信號(hào)線中使用"RS-232標(biāo)準(zhǔn)"傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。由于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)不能被控制器直接識(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標(biāo)準(zhǔn)"的電平信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)通訊。

RS232與TTL的電平標(biāo)準(zhǔn)

不平衡傳輸、相對(duì)于信號(hào)地的單端通訊、全雙工

RS485 差分信號(hào)

為了提高抗干擾特性和增大傳輸距離，RS485采用差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是一種半雙工通信方式；

在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。

相對(duì)于單信號(hào)線傳輸?shù)姆绞剑褂貌罘中盘?hào)傳輸具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎會(huì)同時(shí)耦合到兩條信號(hào)線上，而接收端只關(guān)心兩個(gè)信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

2）能有效抑制它對(duì)外部的電磁干擾，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

3）時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。

由于差分信號(hào)線具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以在USB協(xié)議、485協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議及CAN協(xié)議的物理層中，都使用了差分信號(hào)傳輸。

2. 協(xié)議層

串口通訊的數(shù)據(jù)包由發(fā)送設(shè)備通過(guò)自身的TXD接口傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的RXD接口。在串口通訊的協(xié)議層中， 規(guī)定了通訊邏輯（數(shù)據(jù)包的內(nèi)容），它由起始位、主體數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位以及停止位組成，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式（幀格式）要約定一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)；通常兩個(gè)設(shè)備之間通信要約定好波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、檢驗(yàn)位和停止位。

波特率：數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，串口異步通訊中由于沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)(如DB9接口中是沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)的)， 所以兩個(gè)通訊設(shè)備之間需要約定好波特率，即每個(gè)碼元的長(zhǎng)度，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼。比如波特率為9600bps；代表的就是每秒中傳輸9600bit，也就是相當(dāng)于每一秒中劃分成了9600等份。【比特率 = 波特率 X 單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)】

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（通常為5、6、7或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。

校驗(yàn)位：在有效數(shù)據(jù)之后，有一個(gè)可選的數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。由于數(shù)據(jù)通信相對(duì)更容易受到外部干擾導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差， 可以在傳輸過(guò)程加上校驗(yàn)位來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

（1）奇校驗(yàn)(odd)：數(shù)據(jù)位加上校驗(yàn)位中的“邏輯高位1”的個(gè)數(shù)保持為奇數(shù)；
（2）偶校驗(yàn)(even)：數(shù)據(jù)位加上校驗(yàn)位中的“邏輯高位1”的個(gè)數(shù)保持為偶數(shù)（3）0校驗(yàn)(space)：校驗(yàn)位永遠(yuǎn)是0；

（4）1校驗(yàn)(mark)：校驗(yàn)位永遠(yuǎn)是1；

（5）無(wú)校驗(yàn)(noparity)：沒(méi)有校驗(yàn)位。

停止位：由0.5、1、1.5或2個(gè)邏輯1的數(shù)據(jù)位表示，只要雙方約定一致即可。

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(kāi)始，表示線路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來(lái)填充。

例如，對(duì)于16進(jìn)制數(shù)據(jù)55aaH，當(dāng)采用8位數(shù)據(jù)位、1位停止位傳輸時(shí)，它在信號(hào)線上的波形如下圖所示。
（先傳第一個(gè)字節(jié)55，再傳第二個(gè)字節(jié)aa，每個(gè)字節(jié)都是從低位向高位逐位傳輸）

3、數(shù)據(jù)傳輸方向

單工：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：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；

全雙工：允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸，因此全雙工通信是兩個(gè)單工方式的結(jié)合，需要獨(dú)立的接收端和發(fā)送端。

4、設(shè)備間通信

原生的串口通信主要是控制器跟串口的設(shè)備或者傳感器通信，不需要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)轉(zhuǎn)換電平，直接就用TTL電平通信。例如GPS模塊、GSM模塊、串口轉(zhuǎn)WIFI模塊、HC04藍(lán)牙模塊等與控制器之間的通訊。

RS232轉(zhuǎn)TTL，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片將 標(biāo)準(zhǔn) RS232 串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為 TTL電平的 RS232 串口信號(hào)，不需要安裝驅(qū)動(dòng)。

USB轉(zhuǎn)串口（TTL）實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)USB接口到物理串口之間的轉(zhuǎn)換。主要用于設(shè)備跟電腦通信，電平轉(zhuǎn)換芯片一般有CH340、PL2303、CP2102、FT232 使用的時(shí)候電腦端需要安裝電平轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(dòng)。

串口發(fā)送
串口應(yīng)用發(fā)送數(shù)據(jù)->USB串口驅(qū)動(dòng)獲取數(shù)據(jù)->驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)USB通道發(fā)送給USB串口設(shè)備->USB串口設(shè)備接收到數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送

串口接收
USB串口設(shè)備接收串口數(shù)據(jù)->將串口數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)USB打包后上傳給USB主機(jī)->USB串口驅(qū)動(dòng)獲取到通過(guò)USB上傳的串口數(shù)據(jù)->驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)保存在串口緩沖區(qū)提供給串口應(yīng)用讀取

4、USART、UART簡(jiǎn)介

通用同步異步收發(fā)器(USART，Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一個(gè)串行通信設(shè)備， 可以靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。

通用同步異步收發(fā)器(USART，Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一個(gè)串行通信設(shè)備， 可以靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。

通用異步收發(fā)器(UART，Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)， 它是在USART基礎(chǔ)上裁剪掉了同步通信功能，只有異步通信。

數(shù)據(jù)通信方式包括同步和異步通信，發(fā)送方和接收方按照同一個(gè)時(shí)鐘周期工作就叫同步，發(fā)送方和接收方?jīng)]有提供時(shí)鐘輸出、不按照統(tǒng)一的時(shí)鐘周期、而各自按照自己的時(shí)鐘周期工作就叫異步。

異步通信時(shí)接收方不必一直在意發(fā)送方，發(fā)送方需要發(fā)送信息時(shí)會(huì)首先給接收方一個(gè)信息開(kāi)始的起始信號(hào)，接收方接收到起始信號(hào)后就認(rèn)為后面緊跟著的就是有效信息，才會(huì)開(kāi)始注意接收信息，直到收到發(fā)送方發(fā)過(guò)來(lái)的結(jié)束標(biāo)志。串口通信是屬于異步的，這個(gè)時(shí)候的波特率及數(shù)據(jù)包規(guī)則（幀格式）就顯得很重要了。

5、串口流控

在兩個(gè)串口設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常有必要進(jìn)行數(shù)據(jù)流控。這可能是受到中間串口通信線路、其中一個(gè)設(shè)備或者其他存儲(chǔ)介質(zhì)的限制。異步數(shù)據(jù)流控通常使用的有兩種方法。

第一種方法通常稱為軟件流控，使用特殊字符開(kāi)始（XON or DC1）或者停止（XOFF or DC3）數(shù)據(jù)流。這些字符定義參見(jiàn) ASCII 碼表。這些碼值在傳輸文本信息時(shí)很有用，但不能在未經(jīng)特殊編程時(shí)用于傳輸其他類型的信息。

第二種方法稱作硬件流控，使用RTS和CTS信號(hào)線取代特殊字符。當(dāng)接收方準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)將RTS置為邏輯0以請(qǐng)求對(duì)方發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)未準(zhǔn)備好時(shí)置為邏輯1，因此發(fā)送方會(huì)通過(guò)檢測(cè) CTS 電平狀態(tài)判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)。

使用硬件流控至少需要連接的信號(hào)線有GND、RXD、TXD、RTS、CTS。

使用軟件流控只需要GND、RXD、TXD。

審核編輯黃宇