RS232串口通訊協(xié)議解析

　　串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)而形成的。所以，以RS-232C為主來(lái)討論。

　　在討論RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容之前，先說(shuō)明兩點(diǎn)。首先，RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)最初是遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（Data Terminal Equipment）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（Data Communication Equipment）而制定的。因此這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，并未考慮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。但目前它又廣泛地被借來(lái)用于計(jì)算機(jī)（更準(zhǔn)確的說(shuō)，是計(jì)算機(jī)接口）與終 端或外設(shè)之間的近端連接標(biāo)準(zhǔn)。顯然，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的有些規(guī)定及和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對(duì)這種背景的了解，我們對(duì)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)與計(jì) 算機(jī)不兼容的地方就不難理解了

　　其次，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場(chǎng)上，而不是站在DCE的立場(chǎng)來(lái)定義的。由于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收。

　　RS- 323C標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)EIA（電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)）與BELL等公司一起開(kāi)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問(wèn)題，如信號(hào)線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它 作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。

　　一、RS-232-C

　　RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS（ecommeded standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，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(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。常用物理標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)稱232，RS232）。 例如，目前在IBM PC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。

　　1.電氣特性

　　EIA-RS-232C對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)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(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V

　　信號(hào)無(wú)效（斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓）=-3V～-15V

　　圖1

　　以上規(guī)定說(shuō)明了RS-323C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號(hào)）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號(hào)）的電平告 語(yǔ)+3V；對(duì)于控制信號(hào)；接通狀態(tài)（ON）即信號(hào)有效的電平高于+3V，斷開(kāi)狀態(tài)（OFF）即信號(hào)無(wú)效的電平低于-3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于 3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來(lái)，介于-3～+3V之間的電壓無(wú)意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無(wú)意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在± （3～15） V之間。

　　EIA-RS-232C與TTL轉(zhuǎn)換：EIA-RS-232C是用正負(fù)電壓來(lái)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(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)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(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC1489、 SN75154可實(shí)現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉(zhuǎn)換，圖1顯示了1488和1489的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)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(hào)都要分別經(jīng)過(guò) MC1488和MC1498轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才能送到連接器上去或從連接器上送進(jìn)來(lái)。

　　圖2

　　2、連接器的機(jī)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。

　?。?）DB-25：

　　PC和XT機(jī)采用DB-25型連接器。DB-25連接器定義了25根信號(hào)線，分為4組：

　　①異步通信的9個(gè)電壓信號(hào)（含信號(hào)地SG）2，3，4，5，6，7，8，20，22

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

　?、劭?個(gè)（9，10，11，18，21，25）

　?、鼙Ｗo(hù)地（PE）1個(gè)，作為設(shè)備接地端（1腳）

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

　　圖3

　?。?）DB-9連接器

　　在AT機(jī)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(gè)串行接口的連接器。它只提供 異步通信的9個(gè)信號(hào)。DB-25型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號(hào)完全不同。因此，若與配接DB-25型連接器的DCE設(shè)備連接，必須使用專門(mén)的 電纜線。

　　電纜長(zhǎng)度：在通信速率低于20kb/s時(shí)，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(shuō)明：RS-232C標(biāo)準(zhǔn)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）。可見(jiàn)這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電容應(yīng)小于 2500pF。

　　3、RS-232C的接口信號(hào)

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

　?。?）聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)線：

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

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

　　這兩個(gè)信號(hào)有時(shí)連到電源上，一上電就立即有效。這兩個(gè)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說(shuō)明通信鏈路可以開(kāi)始進(jìn)行通信了，能否開(kāi)始進(jìn)行通信要由下面的控制信號(hào)決定。

　　請(qǐng)求發(fā)送（Request to send-RTS）——用來(lái)表示DTE請(qǐng)求DCE發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使該信號(hào)有效（ON狀態(tài)），向MODEM請(qǐng)求發(fā)送。它用來(lái)控制MODEM是否要進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

　　允許發(fā)送（Clear to send-CTS）——用來(lái)表示DCE準(zhǔn)備好接收DTE發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，是對(duì)請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)RTS的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)MODEM已準(zhǔn)備好接收終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并向前發(fā)送時(shí)，使該信號(hào)有效，通知終端開(kāi)始沿發(fā)送數(shù)據(jù)線TxD發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　這對(duì)RTS/CTS請(qǐng)求應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號(hào)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(luò)信號(hào)，使其變高。

　　接收線信號(hào)檢出（Received Line detection-RLSD）——用來(lái)表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)本地的MODEM收到由通信鏈路另一端（遠(yuǎn)地）的 MODEM送來(lái)的載波信號(hào)時(shí)，使RLSD信號(hào)有效，通知終端準(zhǔn)備接收，并且由MODEM將接收下來(lái)的載波信號(hào)解調(diào)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(dāng)MODEM收到交換臺(tái)送來(lái)的振鈴呼叫信號(hào)時(shí)，使該信號(hào)有效（ON狀態(tài)），通知終端，已被呼叫。

　?。?）數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線：

　　發(fā)送數(shù)據(jù)（Transmitted data-TxD）——通過(guò)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(guò)RxD線終端接收從MODEM發(fā)來(lái)的串行數(shù)據(jù)，（DCE→DTE）。

　?。?）地線

　　有兩根線SG、PG——信號(hào)地和保護(hù)地信號(hào)線，無(wú)方向。

　　上述控制信號(hào)線何時(shí)有效，何時(shí)無(wú)效的順序表示了接口信號(hào)的傳送過(guò)程。例如，只有當(dāng)DSR和DTR都處于有效（ON）狀態(tài)時(shí)，才能在DTE和DCE之間 進(jìn)行傳送操作。若DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)，則預(yù)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(duì)半雙工的通信線路特別有用，因?yàn)榘腚p工的通信才能確定DCE已由接收方向改為發(fā)送方向，這時(shí)線路才能開(kāi)始發(fā)送。

　　2個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)：發(fā)送TXD；接收RXD。

　　1個(gè)信號(hào)地線：SG。

　　6個(gè)控制信號(hào)：

　　DSR　數(shù)傳機(jī)（即modem）準(zhǔn)備好，Data Set Ready。

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

　　RTS　DTE請(qǐng)求DCE發(fā)送（Request To Send）。

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

　　DCD　數(shù)據(jù)載波檢出，Data Carrier Detection當(dāng)本地DCE設(shè)備（Modem）收到對(duì)方的DCE設(shè)備送來(lái)的載波信號(hào)時(shí)，使DCD有效，通知DTE準(zhǔn)備接收， 并且由DCE將接收到的載波信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)， 經(jīng)RXD線送給DTE。

　　RI　振鈴信號(hào) Ringing當(dāng)DCE收到交換機(jī)送來(lái)的振鈴呼叫信號(hào)時(shí)，使該信號(hào)有效，通知DTE已被呼叫。

　　二、遠(yuǎn)距離通信

　　第1和第2中情況是屬于遠(yuǎn)距離通信（傳輸距離大于15m的通信）的例子，故一般要加調(diào)制解調(diào)器MODEM，因此使用的信號(hào)線較多。注意：在以下各圖中，DTE信號(hào)為RS-232-C信號(hào)，DTE與計(jì)算機(jī)間的電平轉(zhuǎn)換電路未畫(huà)出。

　　1、采用Modem（DCE）和電話網(wǎng)通信時(shí)的信號(hào)連接

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

　　圖1

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

　　首先，通過(guò)電話機(jī)拔號(hào)呼叫對(duì)方，電話交換臺(tái)向?qū)Ψ桨l(fā)出拔號(hào)呼叫信號(hào)，當(dāng)對(duì)方DCE收到該信號(hào)后，使RI（振鈴信號(hào)）有效，通知DTE，已被呼叫。當(dāng)對(duì)方“摘機(jī)”后，兩方建立了通信鏈路。

　　若計(jì)算機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)至對(duì)方，首先通過(guò)接口電路（DTE）發(fā)出RTS（請(qǐng)求發(fā)送）信號(hào)。此時(shí)，若DCE（Modem）允許傳送，則向DTE回答CTS （允許發(fā)送）信號(hào)。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(hào)。（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(dāng)DTE獲得CTS信號(hào)后，通過(guò)TXD線向DCE發(fā)出串行信號(hào)，DCE（Modem）將這些數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào)（又稱載波信號(hào)），傳向?qū)Ψ健?/p>

　　計(jì)算機(jī)向DTE“數(shù)據(jù)輸出寄存器”傳送新的數(shù)據(jù)前，應(yīng)檢查Modem狀態(tài)和數(shù)據(jù)輸出寄存器為空。當(dāng)對(duì)方的DCE收到載波信號(hào)后，向?qū)Ψ降腄TE發(fā)出 DCD信號(hào)（數(shù)據(jù)載波檢出），通知其DTE準(zhǔn)備接收，同時(shí)，將載波信號(hào)解調(diào)為數(shù)據(jù)信號(hào)，從RXD線上送給DTE，DTE通過(guò)串行接收移位寄存器對(duì)接收到的 位流進(jìn)行移位，當(dāng)收到1個(gè)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(jìn)行通信，則只要使用2～8號(hào)信號(hào)線進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制。不需要電話機(jī)、振鈴信號(hào)RI和DTR信號(hào)，其信號(hào)線的連接如圖2那樣。

　　圖2

　　三、近距離通信

　　當(dāng)通信距離較近時(shí)，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(hào)線。最簡(jiǎn)單的情況，在通信中根本不需要RS-232C的控制聯(lián)絡(luò)信號(hào)，只需三根線（發(fā)送線、接收線、信號(hào)地線）便可實(shí)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(wú)Modem時(shí)，最大通信距離按如下方式計(jì)算：

　　RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)誤碼率小于4%時(shí)，要求導(dǎo)線的電容值應(yīng)小于2500PF。對(duì)于普通導(dǎo)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(jì)算，是偏于保守的，實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)使用9600bps，普通雙絞屏蔽線時(shí)，距離可達(dá)30～35米。

　　1、零Modem 的最簡(jiǎn)連線（3線制）

　　圖3是零MODEM方式的最簡(jiǎn)單連接（即三線連接），圖中的2號(hào)線與3號(hào)線交叉連接是因?yàn)樵谥边B方式時(shí)，把通信雙方都當(dāng)作數(shù)據(jù)終端設(shè)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(qǐng)求發(fā)送RTS有效和數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTR有效就能開(kāi)始發(fā)送和接收。

　　圖3

　?。?）RTS與CTS互聯(lián)：只要請(qǐng)求發(fā)送，立即得到允許

　?。?）DTR與DSR互聯(lián)：只要本端準(zhǔn)備好，認(rèn)為本端立即可以接收（DSR、數(shù)傳機(jī)準(zhǔn)備好）。

　　2、零Modem標(biāo)準(zhǔn)連接

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

　　無(wú)Modem的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)線（7線制）如圖所示：

　　從中可以看出，RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)定義的所有信號(hào)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(jìn)行連接的，只不過(guò)是把DTE自己發(fā)出的信號(hào)線送過(guò)來(lái)，當(dāng)作對(duì)方DCE發(fā)來(lái)的信號(hào)，因此，又把這種連接稱為雙叉環(huán)回接口。

　　雙方的握手信號(hào)關(guān)系如下（注：甲方乙方并未在圖中標(biāo)出）：

　　（1）當(dāng)甲方的DTE準(zhǔn)備好，發(fā)出DTR信號(hào)，該信號(hào)直接聯(lián)至乙方的RI（振鈴信號(hào)）和DSR（數(shù)傳機(jī)準(zhǔn)備好）。即只要甲方準(zhǔn)備好，乙方立即產(chǎn)生呼叫（RI）有效，并同時(shí)準(zhǔn)備好（DSR）。盡管此時(shí)乙方并不存在DCE（數(shù)傳機(jī)）。

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

　　（3）甲方的TXD與乙方的RXD相連，一發(fā)一收。

　　


?