分別介紹了串口通信協(xié)議RS-232、RS-422和RS-485的基本概念和信息 - 全文

本文介紹了串口通信協(xié)議RS-232、RS-422和RS-485的基本概念，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位以及握手等信息。

1. 什么是串口？

串口通信的概念十分簡單。 串口按位發(fā)送和接收字節(jié)。 盡管比按字節(jié)傳輸?shù)牟⑿型ㄐ怕谴诤芎唵尾⑶夷軌驅(qū)崿F(xiàn)遠距離通信。 例如， IEEE 488規(guī)范定義并行通信時指出，設備間線總長度不得超過20米，且任意兩個設備間的距離不得超過2米；而串口通信的長度可達1200米。
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通常，串口用于傳輸ASCII數(shù)據(jù)。 通信使用3根線完成：(1) 地線，(2) 發(fā)送線，(3) 接收線。 由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)的同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。 這種方式稱為全雙工傳輸。 其他線用于握手，但不是必須的。 串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗位。 對于兩個進行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配：

波特率是衡量通信速度的參數(shù)。 它表示每秒鐘傳送的位數(shù)。 例如，300波特表示每秒鐘發(fā)送300個位。 當我們提到串口中的時鐘周期時，我們就是指波特率。 例如，如果協(xié)議需要4800波特率，那么時鐘是4800Hz。 這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。 通常電話線的波特率為14400、28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。 高波特率常常用于距離很近的儀器間的通信。

數(shù)據(jù)位是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。 當計算機發(fā)送一個信息包，實際的數(shù)據(jù)可能不是8位的， 標準的值是5、7和8位。 如何設置取決于您想傳送的信息。 例如，標準的ASCII碼是0～127（7位）。 擴展的ASCII碼是0～255（8位）。 如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標準ASCII碼），那么每個數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。 每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。 由于實際數(shù)據(jù)位取決于所選的通信協(xié)議，術(shù)語“包”指任何通信的情況。

停止位用于表示單個包的最后一位。 典型的值為1、1.5和2位。 由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步。 因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。 適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

奇偶校驗位是用于串口通信的一種簡單的檢錯方式。 有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。 當然沒有校驗位也是可以的。 對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。 例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。 如果是奇校驗，校驗位為1，這樣就有3個邏輯高位。 高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。 這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。

2. 什么是RS-232？

RS-232（ANSI/EIA-232標準）是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標準。用途十分廣泛，比如連接鼠標、打印機或者調(diào)制解調(diào)器，同時也可以接工業(yè)儀器儀表。 用于驅(qū)動和連線的改進，實際應用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標準的值。 RS-232只限于PC串口和設備間點對點的通信。 RS-232串口通信最遠距離是50英尺。

數(shù)據(jù)?
TXD（引腳3）?串口數(shù)據(jù)輸出?
RXD（引腳2）?串口數(shù)據(jù)輸入?
握手?
RTS（引腳7）?發(fā)送請求?
CTS（引腳8）?清除發(fā)送?
DSR（引腳6）?數(shù)據(jù)發(fā)送就緒?
DCD （引腳1）?數(shù)據(jù)載波檢測?
DTR（引腳4）?數(shù)據(jù)終端就緒?
地線?
GND（引腳5）?地線?
其他?
RI（引腳9）?鈴聲指示

表1：RS-232引腳功能

3. 什么是RS-422？

RS-422 (EIA RS-422-A Standard)是Apple Macintosh計算機的串口連接標準。 RS-422使用差分信號，RS-232使用非平衡參考地的信號。差分傳輸使用兩根線發(fā)送和接收信號，對比RS-232，它能更好的抗噪聲和有更遠的傳輸距離。在工業(yè)環(huán)境中更好的抗噪性和更遠的傳輸距離是一個很大的優(yōu)點。

4. 什么是RS-485？

RS-485（EIA-485標準）是RS-422的改進，因為它增加了設備的個數(shù)，從10個增加到32個，同時定義了在最大設備個數(shù)情況下的電氣特性，以保證足夠的信號電壓。 有了多個設備的能力，你可以使用單個RS-485串口建立設備網(wǎng)絡。 由于出色抗噪和多點通訊能力，在工業(yè)應用中建立連向PC機的分布式設備網(wǎng)絡、其他數(shù)據(jù)收集控制器、HMI或者其他操作時，串行連接會選擇RS-485。 RS-485是RS-422的擴展集，因此所有的RS-422設備可以被RS-485控制。RS-485可以用超過4000英尺的線進行串行通信。

數(shù)據(jù)?
TXD+（引腳8）?串口數(shù)據(jù)輸出（差分）?
TXD-（引腳9）?串口數(shù)據(jù)輸出（差分）?
RXD+（引腳4）?串口數(shù)據(jù)輸入（差分）?
RXD-（引腳5）?串口數(shù)據(jù)輸入（差分）?
握手?
RTS+（引腳3）?發(fā)送請求（差分）?
RTS-（引腳7）?發(fā)送請求（差分）?
CTS+（引腳2）?清除發(fā)送（差分）?
CTS-（引腳6）?清除發(fā)送（差分）?
DSR（引腳6）?數(shù)據(jù)發(fā)送就緒?
地線?
GND（引腳1）?地線

表2：RS-485和RS-422引腳功能

5. RS-232、RS-422和RS-485的區(qū)別是什么？

RS-232是最常見的串口，是大部分兼容Windows的桌面計算機的一個標準組件。 如今通過USB到RS-232轉(zhuǎn)換器使用RS-232更為常見。 RS-232只允許每根線使用一個發(fā)送器和接收器。 RS-232也使用全雙工雙數(shù)方式。 NI某些RS-232板卡支持的波特率最高達1 Mb/s，但大部分設備限于115.2 kb/s及以下。

RS-422 (EIA RS-422-A Standard)是傳統(tǒng)Apple計算機的串口連接標準。 該標準機制下的最高數(shù)據(jù)傳輸速度可達10 Mb/s。RS-422使用兩根線發(fā)送每個信號，以增加最大波特率和線纜長度。 RS-422還指定用于多點通訊應用，一個發(fā)送器連接到最多10個接收器的總線并發(fā)送數(shù)據(jù)。

RS-485是RS-422的擴展集，對這些能力進行了擴展。 RS-485解決了RS-422處理多點通訊的限制，通過同一數(shù)據(jù)線通信時最多允許32個設備。 RS-485總線上的任意從設備都可以與任意其他32個從設備進行通信，無需經(jīng)由主設備。 由于RS-422是RS-485的子集，因而所有RS-422設備可能受RS-485控制。

RS-485和RS-422都支持多點通訊能力，但RS-485可允許最多32個設備，而RS-422的限制為10個。對于這兩種串行通訊協(xié)議，您都需要自己添加終端匹配電路。 所有NI RS-485板卡都兼容RS-422標準。

下表對工作模式、驅(qū)動器和接收器總數(shù)、最大線纜長度和最大數(shù)據(jù)速率進行了比較。

標準?RS-232?RS-422?RS-485?
工作模式?單端?差分?差分?
單根線上的驅(qū)動器/接收器數(shù)?1個驅(qū)動器
1個接收器?1個驅(qū)動器
10個接收器?32個驅(qū)動器*
32個接收器?
最大纜線長度?50 ft (2500 pF)?4000 ft?4000 ft?
最大數(shù)據(jù)速率（最大線纜長度時）?160 kb/s（最高可達1 Mb/s）?10 Mb/s?10 Mb/s

表3：RS-232、RS-422和RS-485規(guī)范

*同一時間只有一個驅(qū)動器活動

*同一時間只有一個驅(qū)動器活動

6. 什么是握手？

RS-232通行方式允許簡單連接三線：TX、RX和地線。

但是對于數(shù)據(jù)傳輸，雙方必須對數(shù)據(jù)定時使用相同的波特率。 盡管這種方法對于大多數(shù)應用已經(jīng)足夠，但是對于接收方過載的情況這種使用受到限制。 這時需要串口的握手功能。 在這一部分，我們討論三種最常用的RS-232握手形式：軟件握手、硬件握手和Xmodem。

軟件握手：我們討論的第一種握手是軟件握手。 通常用在實際數(shù)據(jù)是控制字符的情況，類似于GPIB使用命令字符串的方式。 必須的線仍然是三根：TX、RX和地線，因為控制字符在傳輸線上和普通字符沒有區(qū)別， 函數(shù)SetXModem允許用戶使能或者禁止用戶使用兩個控制字符XON和OXFF。 這些字符在通信中由接收方發(fā)送，使發(fā)送方暫停。

例如：假設發(fā)送方以高波特率發(fā)送數(shù)據(jù)。 在傳輸中，接收方發(fā)現(xiàn)由于CPU忙于其他工作，輸入緩沖區(qū)已經(jīng)滿了。 為了暫時停止傳輸，接收方發(fā)送XOFF，典型的值是十進制19，即十六進制13，直到輸入緩沖區(qū)清空。 一旦接收方準備好接收，它發(fā)送XON，典型的值是十進制17，即十六進制11，繼續(xù)通信。 輸入緩沖區(qū)半滿時，LabWindows發(fā)送XOFF。 此外，如果XOFF傳輸被打斷，LabWindows會在緩沖區(qū)達到75％和90％時發(fā)送XOFF。 顯然，發(fā)送方必須遵循此守則以保證傳輸繼續(xù)。

此方式的最大缺點，也是最重要的概念：數(shù)值將不再使用十進制17和19。 由于這些數(shù)值為無字符數(shù)值，因此往往不會影響 ASCII 的傳輸作業(yè)；然而，若以二進制法傳輸數(shù)據(jù)，則極可能將這些數(shù)值作為數(shù)據(jù)進行傳輸，導致傳輸作業(yè)發(fā)生錯誤。
硬件握手：第二種是使用硬件線握手。 和TX和RX線一樣，RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一個作為輸出，另一個作為輸入。 第一組線是RTS (Request to Send)和CTS (Clear to Send)。 當接收方準備好接收數(shù)據(jù)，它置高RTS線表示就緒， 如果發(fā)送方也就緒，它置高CTS，表示它即將發(fā)送數(shù)據(jù)。 另一組線是DTR (Data Terminal Ready)和DSR (Data Set Ready)。 這些線主要用于調(diào)制解調(diào)器通信。 使得串口和調(diào)制解調(diào)器通信他們的狀態(tài)。 例如：當調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)準備好接收來自PC的數(shù)據(jù)，它置高DTR線，表示和電話線的連接已經(jīng)建立。 讀取DSR線置高，PC機開始發(fā)送數(shù)據(jù)。 一個簡單的規(guī)則是DTR/DSR用于表示系統(tǒng)通信就緒，而RTS/CTS用于單個數(shù)據(jù)包的傳輸。

在LabWindows中，函數(shù)SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。 如果CTS模式使能，LabWindows使用如下規(guī)則：

當PC發(fā)送數(shù)據(jù)：

RS-232庫必須檢測CTS線高后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

當PC接收數(shù)據(jù)：

如果端口打開，且輸入隊列有空接收數(shù)據(jù)，庫函數(shù)置高RTS和DTR。
如果輸入隊列90％滿，庫函數(shù)置低RTS，但使DTR維持高電平。
如果輸入隊列近乎為空，庫函數(shù)置高RTS，但使DTR維持高電平。
如果端口關(guān)閉，庫函數(shù)置低RTS和DTR。

XModem握手：最后討論的握手叫做XModem文件傳輸協(xié)議。 這個協(xié)議在調(diào)制解調(diào)器通信中非常通用。 盡管它通常使用在調(diào)制解調(diào)器通信中，XModem協(xié)議能夠直接在其他遵循這個協(xié)議的設備通信中使用。 在LabWindows中，實際的XModem應用對用戶隱藏了。 只要PC和其他設備使用XModem協(xié)議，在文件傳輸中就使用LabWindows的XModem函數(shù)。 函數(shù)是XModemConfig、XModemSend和XModemReceive。

XModem使用介于如下參數(shù)的協(xié)議：start_of_data、end_of_trans、neg_ack、ack、wait_delay、start_delay、max_tries、packet_size。 這些參數(shù)需要通信雙方認定。 標準的XModem有一個標準的定義；然而，可以通過XModemConfig函數(shù)修改，以滿足具體需要。 這些參數(shù)的使用方法由接收方發(fā)送的字符neg_ack確定。 這通知發(fā)送方其準備接收數(shù)據(jù)。 它開始嘗試發(fā)送，有一個超時參數(shù)start_delay；當超時的嘗試超過max_tries次數(shù)，或者收到接收方發(fā)送的start_of_data，發(fā)送方停止嘗試。 如果達到max_tries次數(shù)，將通知用戶無法與發(fā)送方通信。 如果從發(fā)送方收到start_of_data，接收方將讀取后繼信息數(shù)據(jù)包。 包中含有包的數(shù)目、包數(shù)目的補碼作為錯誤校驗、packet_size字節(jié)大小的實際數(shù)據(jù)包，和進一步錯誤檢查的求和校驗值。 在讀取數(shù)據(jù)后，接收方會調(diào)用wait_delay，然后向發(fā)送方發(fā)送響應。 如果發(fā)送方?jīng)]有收到響應，它會重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到收到響應或者超過重發(fā)次數(shù)的最大值max_tries。 如果一直沒有收到響應，發(fā)送方通知用戶傳輸數(shù)據(jù)失敗。

由于數(shù)據(jù)必須以pack_size個字節(jié)按包發(fā)送，當最后一個數(shù)據(jù)包發(fā)送時，如果數(shù)據(jù)不夠放滿一個數(shù)據(jù)包，后面會填充ASCII碼NUL (0)字節(jié)。 這導致接收的數(shù)據(jù)比原數(shù)據(jù)多。 在XModem情況下一定不要使用XON/XOFF，因為XModem發(fā)送方發(fā)出包的數(shù)目很可能增加到XON/OFF控制字符的值，從而導致通信故障。