剖析單片機(jī)串口最底層的本質(zhì)?

嵌入式開(kāi)發(fā)中，UART串口是最常見(jiàn)的一種通信接口，你知道為啥串口這么常見(jiàn)嗎？本文就帶你深入了解串口最底層的本質(zhì)內(nèi)容。

一、什么是串口通訊？

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(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?a target="_blank">通信慢，但是串口可以在僅僅使用兩根線的情況下就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

典型的串口通信使用3根線完成，分別是地線、發(fā)送、接收。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。

圖1：串行通訊示數(shù)據(jù)傳輸意圖

二、串口通訊的通訊協(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(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。所以差分通信、支持多機(jī)通信、抗干擾強(qiáng)的RS485就被廣泛的使用了。

RS485通信最大特點(diǎn)就是傳輸速度可以達(dá)到10Mb/s以上，傳輸距離可以達(dá)到3000米左右。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?/p>

三、串口通訊的物理層

串口通訊的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)，例如上面提到的，我們主要講解RS-232標(biāo)準(zhǔn)，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。

下圖為DB9標(biāo)準(zhǔn)串口通訊接口：

DB9引腳說(shuō)明：

上表中的是計(jì)算機(jī)端的DB9公頭標(biāo)準(zhǔn)接法，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，兩個(gè)設(shè)備之間連接時(shí)，只要使用"直通型"的串口線連接起來(lái)即可。

串口線中的RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信號(hào)，使用邏輯 1表示信號(hào)有效，邏輯0表示信號(hào)無(wú)效。例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)端控制DTR信號(hào)線表示為邏輯1時(shí)，它是為了告知遠(yuǎn)端的調(diào)制調(diào)解器，本機(jī)已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，0則表示還沒(méi)準(zhǔn)備就緒。

四、波特率

波特率是指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來(lái)表示；

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。

因此，那么每1bit的時(shí)間就是1/9600秒=104.1666...us。約0.1ms。既然是9600等份，即每1bit緊接著下一個(gè)比特，不存在額外的間隔。兩臺(tái)設(shè)備要想實(shí)現(xiàn)串口通訊，這收發(fā)端設(shè)置的波特率必須相同，否則是沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)通訊的。

收發(fā)波特率一致可以實(shí)現(xiàn)通訊：

收發(fā)波特率不一致，導(dǎo)致RX端不能正常接收：

五、串口通訊的數(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。

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。

六、單雙工通訊

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。

七、STM32中的串口通訊

STM32串口通信接口有兩種，分別是：UART(通用異步收發(fā)器)、USART(通用同步異步收發(fā)器)，對(duì)于大容量STM32F10x系列芯片，分別由3個(gè)USART和兩個(gè)UART。

對(duì)于兩芯片的間的連接，兩個(gè)芯片GND共地，同時(shí)TXD和RXD交叉連接，這樣兩個(gè)芯片間可進(jìn)行TTL電平通信。

但如果對(duì)于芯片和PC機(jī)相連，除了共地條件外，不能使用如上的直接交叉連接，雖然兩者都有TXD和RXD引腳，但通常PC機(jī)使用的是RS232接口（9針），通常是TXC和RXD經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換得到，故如果要使芯片與PC機(jī)的RS232接口直接通信，需要將芯片的輸入輸出端口也電平轉(zhuǎn)換為RS232類(lèi)型，再交叉連接，二者的電平標(biāo)準(zhǔn)不同：

單片機(jī)的點(diǎn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)(TTL電平）：+5V表示1，0V表示0；RS232電平標(biāo)準(zhǔn)：+15/+13V表示0，-15/-13表示1。

因此單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行串口通信應(yīng)該遵循：在單片機(jī)串口與上位機(jī)給出的RS232口之間，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平間的轉(zhuǎn)換。如果使用USB轉(zhuǎn)串口也可以實(shí)現(xiàn)串口通訊，USB轉(zhuǎn)串口電路圖如下所示。

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審核編輯 黃宇