串口通訊rs-232-c詳解

在討論RS-232C接口標準的內(nèi)容之前，先說明兩點：

首先，RS-232-C標準最初是遠程通信連接數(shù)據(jù)終端設備DTE（Data Terminal Equipment）與數(shù)據(jù)通信設備DCE（Data Communication Equipment）而制定的。因此這個標準的制定，并未考慮計算機系統(tǒng)的應用要求。但目前它又廣泛地被借來用于計算機（更準確的說，是計算機接口）與終端或外設之間的近端連接標準。顯然，這個標準的有些規(guī)定及和計算機系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對RS-232C標準與計算機不兼容的地方就不難理解了

其次，RS-232C標準中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場上，而不是站在DCE的立場來定義的。由于在計算機系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收。

一、RS-232-C

RS-232C標準（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標準，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（ecommeded standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS232的最新一次修改（1969），在這之前，有RS232B、RS232A。。它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。常用物理標準還有有EIA?RS-232-C、EIA?RS-422-A、EIA?RS-423A、EIA?RS-485。 這里只介紹EIA?RS-232-C（簡稱232，RS232）。 例如，目前在IBM PC機上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。

串口通訊rs-232-c詳解

串行通信接口標準經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標準的基礎上經(jīng)過改進而形成的。所以，以RS-232C為主來討論。RS-323C標準是美國EIA（電子工業(yè)聯(lián)合會）與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。

1.電氣特性

EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。

在TxD和RxD上：邏輯1（MARK）=-3V～-15V

邏輯0（SPACE）=+3～＋15V

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：

信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V

信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）=-3V～-15V

圖1

以上規(guī)定說明了RS-323C標準對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平告語+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)（OFF）即信號無效的電平低于-3V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在±（3～15）V之間。

EIA-RS-232C與TTL轉換：EIA-RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉換，而MC1489、SN75154可實現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉換。MAX232芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉換，圖1顯示了1488和1489的內(nèi)部結構和引腳。MC1488的引腳（2）、（4，5）、（9，10）和（12，13）接TTL輸入。引腳3、6、8、11輸出端接EIA-RS-232C。MC1498的14的1、4、10、13腳接EIA輸入，而3、6、8、11腳接TTL輸出。具體連接方法如圖2所示。圖中的左邊是微機串行接口電路中的主芯片UART，它是TTL器件，右邊是EIA-RS-232C連接器，要求EIA高電壓。因此，RS-232C所有的輸出、輸入信號都要分別經(jīng)過MC1488和MC1498轉換器，進行電平轉換后才能送到連接器上去或從連接器上送進來。

圖2

2、、連接器的機械特性：

連接器：由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。下面分別介紹兩種連接器。

（1）DB-25： PC和XT機采用DB-25型連接器。DB-25連接器定義了25根信號線，分為4組：

①異步通信的9個電壓信號（含信號地SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22

②20mA電流環(huán)信號 9個（12，13，14，15，16，17，19，23，24）

③空6個（9，10，11，18，21，25）

④保護地（PE）1個，作為設備接地端（1腳）

DB-25型連接器的外形及信號線分配如圖3所示。注意，20mA電流環(huán)信號僅IBM PC和IBM PC/XT機提供，至AT機及以后，已不支持。

圖3

（2）DB-9連接器

在AT機及以后，不支持20mA電流環(huán)接口，使用DB-9連接器，作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。DB-25型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若與配接DB-25型連接器的DCE設備連接，必須使用專門的電纜線。

電纜長度：在通信速率低于20kb/s時，RS-232C所直接連接的最大物理距離為15m（50英尺）。

最大直接傳輸距離說明：RS-232C標準規(guī)定，若不使用MODEM，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間最大傳輸距離為15m（50英尺）?？梢娺@個最大的距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。為了保證碼元畸變小于4%的要求，接口標準在電氣特性中規(guī)定，驅動器的負載電容應小于2500pF。

3、RS-232C的接口信號

RS-232C規(guī)標準接口有25條線，4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，常用的只有9根，它們是

（1）聯(lián)絡控制信號線：

數(shù)據(jù)裝置準備好（Data set ready-DSR）——有效時（ON）狀態(tài)，表明MODEM處于可以使用的狀態(tài)。

數(shù)據(jù)終端準備好（Data set ready-DTR）——有效時（ON）狀態(tài)，表明數(shù)據(jù)終端可以使用。

這兩個信號有時連到電源上，一上電就立即有效。這兩個設備狀態(tài)信號有效，只表示設備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進行通信了，能否開始進行通信要由下面的控制信號決定。

請求發(fā)送（Request to send-RTS）——用來表示DTE請求DCE發(fā)送數(shù)據(jù)，即當終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時，使該信號有效（ON狀態(tài)），向MODEM請求發(fā)送。它用來控制MODEM是否要進入發(fā)送狀態(tài)。

允許發(fā)送（Clear to send-CTS）——用來表示DCE準備好接收DTE發(fā)來的數(shù)據(jù)，是對請求發(fā)送信號RTS的響應信號。當MODEM已準備好接收終端傳來的數(shù)據(jù)，并向前發(fā)送時，使該信號有效，通知終端開始沿發(fā)送數(shù)據(jù)線TxD發(fā)送數(shù)據(jù)。

這對RTS/CTS請求應答聯(lián)絡信號是用于半雙工MODEM系統(tǒng)中發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中作發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯(lián)絡信號，使其變高。

接收線信號檢出（Received Line detection-RLSD）——用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準備接收數(shù)據(jù)。當本地的MODEM收到由通信鏈路另一端（遠地）的MODEM送來的載波信號時，使RLSD信號有效，通知終端準備接收，并且由MODEM將接收下來的載波信號解調成數(shù)字兩數(shù)據(jù)后，沿接收數(shù)據(jù)線RxD送到終端。此線也叫做數(shù)據(jù)載波檢出（Data Carrier dectection-DCD）線。

振鈴指示（Ringing-RI）——當MODEM收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效（ON狀態(tài)），通知終端，已被呼叫。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線：

發(fā)送數(shù)據(jù)（Transmitted data-TxD）——通過TxD終端將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MODEM，（DTE→DCE）。

接收數(shù)據(jù)（Received data-RxD）——通過RxD線終端接收從MODEM發(fā)來的串行數(shù)據(jù)，（DCE→DTE）。

（3）地線

有兩根線SG、PG——信號地和保護地信號線，無方向。

上述控制信號線何時有效，何時無效的順序表示了接口信號的傳送過程。例如，只有當DSR和DTR都處于有效（ON）狀態(tài)時，才能在DTE和DCE之間進行傳送操作。若DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)，則預先將DTR線置成有效（ON）狀態(tài)，等CTS線上收到有效（ON）狀態(tài)的回答后，才能在TxD線上發(fā)送串行數(shù)據(jù)。這種順序的規(guī)定對半雙工的通信線路特別有用，因為半雙工的通信才能確定DCE已由接收方向改為發(fā)送方向，這時線路才能開始發(fā)送。

2個數(shù)據(jù)信號：發(fā)送TXD；接收RXD。

1個信號地線：SG。

6個控制信號：

DSR??數(shù)傳機（即modem）準備好，Data Set Ready.

DTR??數(shù)據(jù)終端（DTE，即微機接口電路，如Intel8250/8251，16550）準備好，Data Terminal Ready。

RTS??DTE請求DCE發(fā)送（Request To Send）。

CTS??DCE允許DTE發(fā)送（Clear To Send），該信號是對RTS信號的回答。

DCD??數(shù)據(jù)載波檢出，Data Carrier Detection當本地DCE設備（Modem）收到對方的DCE設備送來的載波信號時，使DCD有效，通知DTE準備接收， 并且由DCE將接收到的載波信號解調為數(shù)字信號， 經(jīng)RXD線送給DTE。

RI??振鈴信號 Ringing當DCE收到交換機送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效，通知DTE已被呼叫。

一、遠距離通信

第1和第2中情況是屬于遠距離通信（傳輸距離大于15m的通信）的例子，故一般要加調制解調器MODEM，因此使用的信號線較多。注意：在以下各圖中，DTE信號為RS-232-C信號，DTE與計算機間的電平轉換電路未畫出。

1、采用Modem（DCE）和電話網(wǎng)通信時的信號連接：

若在雙方MODEM之間采用普通電話交換線進行通信，除了需要2～8號信號線外還要增加RI（22號）和DTR（20號）兩個信號線進行聯(lián)絡，如圖1所示。

圖1

DSR、DTR：數(shù)傳機（DCE）準備好、數(shù)據(jù)終端（DTE）準備好，只表示設備本身可用。

首先，通過電話機拔號呼叫對方，電話交換臺向對方發(fā)出拔號呼叫信號，當對方DCE收到該信號后，使RI（振鈴信號）有效，通知DTE，已被呼叫。當對方“摘機”后，兩方建立了通信鏈路。

若計算機要發(fā)送數(shù)據(jù)至對方，首先通過接口電路（DTE）發(fā)出RTS（請求發(fā)送）信號。此時，若DCE（Modem）允許傳送，則向DTE回答CTS（允許發(fā)送）信號。一般可直接將RTS/CTS接高電平，即只要通信鏈路已建立，就可傳送信號。（RTS/CTS可只用于半雙工系統(tǒng)中作發(fā)送方式和接收方式的切換。

當DTE獲得CTS信號后，通過TXD線向DCE發(fā)出串行信號，DCE（Modem）將這些數(shù)字信號調制成模擬信號（又稱載波信號），傳向對方。

計算機向DTE“數(shù)據(jù)輸出寄存器”傳送新的數(shù)據(jù)前，應檢查Modem狀態(tài)和數(shù)據(jù)輸出寄存器為空。當對方的DCE收到載波信號后，向對方的DTE發(fā)出DCD信號（數(shù)據(jù)載波檢出），通知其DTE準備接收，同時，將載波信號解調為數(shù)據(jù)信號，從RXD線上送給DTE，DTE通過串行接收移位寄存器對接收到的位流進行移位，當收到1個字符的全部位流后，把該字符的數(shù)據(jù)位送到數(shù)據(jù)輸入寄存器，CPU可以從數(shù)據(jù)輸入寄存器讀取字符。

2、采用專用電話線通信：在通信雙方的MODEM之間采用電話線進行通信，則只要使用2～8號信號線進行聯(lián)絡與控制。不需要電話機、振鈴信號RI和DTR信號，其信號線的連接如圖2那樣。

圖2

二、近距離通信：

當通信距離較近時，可不需要Modem，通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用少數(shù)幾根信號線。最簡單的情況，在通信中根本不需要RS-232C的控制聯(lián)絡信號，只需三根線（發(fā)送線、接收線、信號地線）便可實現(xiàn)全雙工異步串行通信，即是這里要討論的第一種情況。

無Modem時，最大通信距離按如下方式計算：

RS-232C標準規(guī)定：當誤碼率小于4%時，要求導線的電容值應小于2500PF。對于普通導線，其電容值約為170PF/M。則允許距離L=2500PF/（170PF/M）=15M

這一距離的計算，是偏于保守的，實際應用中，當使用9600bps，普通雙絞屏蔽線時，距離可達30~35米。

1、零Modem 的最簡連線（3線制）

圖3是零MODEM方式的最簡單連接（即三線連接），圖中的2號線與3號線交叉連接是因為在直連方式時，把通信雙方都當作數(shù)據(jù)終端設備看待，雙方都可發(fā)也可收。在這種方式下，通信雙方的任何一方，只要請求發(fā)送RTS有效和數(shù)據(jù)終端準備好DTR有效就能開始發(fā)送和接收。

圖3

（1）RTS與CTS互聯(lián)：只要請求發(fā)送，立即得到允許

（2）DTR與DSR互聯(lián)：只要本端準備好，認為本端立即可以接收（DSR、數(shù)傳機準備好）。

2、零Modem標準連接：

如果想在直接連接時，而又考慮到RS-232C的聯(lián)絡控制信號，則采用零MODEM方式的標準連接方法，其通信雙方信號線安排如下1-2-3-4-5順序所演示的那樣。

無Modem的標準聯(lián)線（7線制）如圖所示：

從中可以看出，RS-232C接口標準定義的所有信號線都用到了，并且是按照DTE和DCE之間信息交換協(xié)議的要求進行連接的，只不過是把DTE自己發(fā)出的信號線送過來，當作對方DCE發(fā)來的信號，因此，又把這種連接稱為雙叉環(huán)回接口。

雙方的握手信號關系如下（注：甲方乙方并未在圖中標出）：

（1）當甲方的DTE準備好，發(fā)出DTR信號，該信號直接聯(lián)至乙方的RI（振鈴信號）和DSR（數(shù)傳機準備好）。即只要甲方準備好，乙方立即產(chǎn)生呼叫（RI）有效，并同時準備好（DSR）。盡管此時乙方并不存在DCE（數(shù)傳機）。

（2）甲方的RTS和CTS相連，并與乙方的DCD互連。即：一旦甲方請求發(fā)送（RTS），便立即得到允許（CTS），同時，使乙方的DCD有效，即檢測到載波信號。

（3）甲方的TXD與乙方的RXD相連，一發(fā)一收。

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