串口通訊

串口通訊簡介

　　串口通信（Serial Communication）， 是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號線 、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)汀?/p>

　　隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來越顯得重要。這里所說的通信是指計(jì)算機(jī)與外界的信息交換。因此，通信既包括計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間，也包括計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的信息交換。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，因此，特別適合于遠(yuǎn)距離傳輸。對于那些與計(jì)算機(jī)相距不遠(yuǎn)的人－機(jī)交換設(shè)備和串行存儲的外部設(shè)備如終端、打印機(jī)、邏輯分析儀、磁盤等，采用串行方式交換數(shù)據(jù)也很普遍。在實(shí)時(shí)控制和管理方面，采用多臺微機(jī)處理機(jī)組成分級分布控制系統(tǒng)中，各 CPU 之間的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的接口。許多外設(shè)和計(jì)算機(jī)按串行方式進(jìn)行通信，這里所說的串行方式，是指外設(shè)與接口電路之間的信息傳送方式，實(shí)際上，CPU 與接口之間仍按并行方式工作。

串口通訊百科

　　串口通信（Serial Communication）， 是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號線 、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)汀?/p>

　　隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和微機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信功能越來越顯得重要。這里所說的通信是指計(jì)算機(jī)與外界的信息交換。因此，通信既包括計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間，也包括計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的信息交換。由于串行通信是在一根傳輸線上一位一位的傳送信息，所用的傳輸線少，并且可以借助現(xiàn)成的電話網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，因此，特別適合于遠(yuǎn)距離傳輸。對于那些與計(jì)算機(jī)相距不遠(yuǎn)的人－機(jī)交換設(shè)備和串行存儲的外部設(shè)備如終端、打印機(jī)、邏輯分析儀、磁盤等，采用串行方式交換數(shù)據(jù)也很普遍。在實(shí)時(shí)控制和管理方面，采用多臺微機(jī)處理機(jī)組成分級分布控制系統(tǒng)中，各 CPU 之間的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的接口。許多外設(shè)和計(jì)算機(jī)按串行方式進(jìn)行通信，這里所說的串行方式，是指外設(shè)與接口電路之間的信息傳送方式，實(shí)際上，CPU 與接口之間仍按并行方式工作。

　　工作方式

　　由于 CPU 與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設(shè)之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，必須要有 “ 接收移位寄存器 ” （串→并）和 “ 發(fā)送移位寄存器 ” （并→串）。 在數(shù)據(jù)輸入過程中，數(shù)據(jù) 1 位 1 位地從外設(shè)進(jìn)入接口的 “ 接收移位寄存器 ”，當(dāng) “ 接收移位寄存器 ” 中已接收完 1 個(gè)字符的各位后，數(shù)據(jù)就從 “ 接收移位寄存器 ” 進(jìn)入 “ 數(shù)據(jù)輸入寄存器 ” 。 CPU 從 “ 數(shù)據(jù)輸入寄存器 ” 中讀取接收到的字符。（并行讀取，即 D7~D0 同時(shí)被讀至累加器中）。 “ 接收移位寄存器 ” 的移位速度由 “ 接收時(shí)鐘 ” 確定。

　　在數(shù)據(jù)輸出過程中，CPU 把要輸出的字符（并行地）送入 “ 數(shù)據(jù)輸出寄存器 ”，“ 數(shù)據(jù)輸出寄存器 ” 的內(nèi)容傳輸?shù)?“ 發(fā)送移位寄存器 ”，然后由 “ 發(fā)送移位寄存器 ” 移位，把數(shù)據(jù) 1 位 1 位地送到外設(shè)。 “ 發(fā)送移位寄存器 ” 的移位速度由 “ 發(fā)送時(shí)鐘 ” 確定。

　　接口中的 “ 控制寄存器 ” 用來容納 CPU 送給此接口的各種控制信息，這些控制信息決定接口的工作方式。

　　“ 狀態(tài)寄存器 ” 的各位稱為 “ 狀態(tài)位 ”，每一個(gè)狀態(tài)位都可以用來指示數(shù)據(jù)傳輸過程中的狀態(tài)或某種錯(cuò)誤。例如，用狀態(tài)寄存器的 D5 位為 “1” 表示 “ 數(shù)據(jù)輸出寄存器 ” 空，用 D0 位表示 “ 數(shù)據(jù)輸入寄存器滿 ”，用 D2 位表示 “ 奇偶檢驗(yàn)錯(cuò) ” 等。

　　能夠完成上述 “ 串 《- -》 并 ” 轉(zhuǎn)換功能的電路，通常稱為 “ 通用異步收發(fā)器 ” （UART ：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），典型的芯片有：Intel 8250/8251，16550

　　接口標(biāo)準(zhǔn)

　?、艑?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化：因?yàn)閬碜訡PU的是普通的并行數(shù)據(jù)，所以，接口電路應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務(wù)。在異步通信方式下，接口自動生成起止式的幀數(shù)據(jù)格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待傳送的數(shù)據(jù)塊前加上同步字符。

　?、七M(jìn)行串-并轉(zhuǎn)換：串行傳送，數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)。所以當(dāng)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)送至數(shù)據(jù)發(fā)送器時(shí)，首先把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)才能送入計(jì)算機(jī)處理。因此串并轉(zhuǎn)換是串行接口電路的重要任務(wù)。

　?、强刂茢?shù)據(jù)傳輸速率：串行通信接口電路應(yīng)具有對數(shù)據(jù)傳輸速率——波特率進(jìn)行選擇和控制的能力。

　?、冗M(jìn)行錯(cuò)誤檢測：在發(fā)送時(shí)接口電路對傳送的字符數(shù)據(jù)自動生成奇偶校驗(yàn)位或其他校驗(yàn)碼。在接收時(shí)，接口電路檢查字符的奇偶校驗(yàn)或其他校驗(yàn)碼，確定是否發(fā)生傳送錯(cuò)誤。

　?、蛇M(jìn)行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換：CPU和終端均采用TTL電平及正邏輯，它們與EIA采用的電平及負(fù)邏輯不兼容，需在接口電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　?、侍峁〦IA-RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號線：遠(yuǎn)距離通信采用MODEM時(shí)，需要9根信號線；近距離零MODEM方式，只需要3根信號線。這些信號線由接口電路提供，以便與MODEM或終端進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制。（理論性強(qiáng)）

　　串口通信的基本知識

　　本文介紹了串口通訊的基本概念、數(shù)據(jù)格式、通訊方式、典型的串口通訊標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

　　串口通訊，RS232，RS485，停止位，奇校驗(yàn)，偶校驗(yàn)

　　1 串口通訊

　　串口通訊（Serial Communication），是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。

　　串口是一種接口標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)定接口插件電纜以及使用的協(xié)議。

　　2 串口通訊的數(shù)據(jù)格式

　　一個(gè)字符一個(gè)字符地傳輸，每個(gè)字符一位一位地傳輸，并且傳輸一個(gè)字符時(shí)，總是以“起始位”開始，以“停止位”結(jié)束，字符之間沒有固定的時(shí)間間隔要求。

　　每一個(gè)字符的前面都有一位起始位（低電平），字符本身由7位數(shù)據(jù)位組成，接著字符后面是一位校驗(yàn)位（檢驗(yàn)位可以是奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)位），最后是一位或一位半或二位停止位，停止位后面是不定長的空閑位，停止位和空閑位都規(guī)定為高電平。實(shí)際傳輸時(shí)每一位的信號寬度與波特率有關(guān)，波特率越高，寬度越小，在進(jìn)行傳輸之前，雙方一定要使用同一個(gè)波特率設(shè)置。

　　3 通訊方式

　　單工模式（Simplex Communication）的數(shù)據(jù)傳輸是單向的。通信雙方中，一方固定為發(fā)送端，一方則固定為接收端。信息只能沿一個(gè)方向傳輸，使用一根傳輸線。

　　半雙工模式（Half Duplex）通信使用同一根傳輸線，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)又可以接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但是，在任何時(shí)刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)。因此半雙工模式既可以使用一條數(shù)據(jù)線，也可以使用兩條數(shù)據(jù)線。半雙工通信中每端需有一個(gè)收發(fā)切換電子開關(guān)，通過切換來決定數(shù)據(jù)向哪個(gè)方向傳輸。因?yàn)橛星袚Q，所以會產(chǎn)生時(shí)間延遲，信息傳輸效率低些。

　　全雙工模式（Full Duplex）通信允許數(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)單工通信方式的結(jié)合，它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送能力。在全雙工模式中，每一端都有發(fā)送器和接收器，有兩條傳輸線，信息傳輸效率高。

　　顯然，在其它參數(shù)都一樣的情況下，全雙工比半雙工傳輸速度要快，效率要高。

　　4 偶校驗(yàn)與奇校驗(yàn)

　　在標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼中，其最高位（b7）用作奇偶校驗(yàn)位。所謂奇偶校驗(yàn)，是指在代碼傳送過程中用來檢驗(yàn)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤的一種方法，一般分奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)兩種。奇校驗(yàn)規(guī)定：正確的代碼一個(gè)字節(jié)中1的個(gè)數(shù)必須是奇數(shù)，若非奇數(shù)，則在最高位b7添1；偶校驗(yàn)規(guī)定：正確的代碼一個(gè)字節(jié)中1的個(gè)數(shù)必須是偶數(shù)，若非偶數(shù)，則在最高位b7添1。

　　5 停止位

　　停止位是按長度來算的。串行異步通信從計(jì)時(shí)開始，以單位時(shí)間為間隔（一個(gè)單位時(shí)間就是波特率的倒數(shù)），依次接受所規(guī)定的數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位，并拼裝成一個(gè)字符的并行字節(jié)；此后應(yīng)接收到規(guī)定長度的停止位“1”。所以說，停止位都是“1”，1.5是它的長度，即停止位的高電平保持1.5個(gè)單位時(shí)間長度。一般來講，停止位有1，1.5，2個(gè)單位時(shí)間三種長度。

　　6 波特率

　　波特率就是每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。

　　波特率的單位是每秒比特?cái)?shù)（bps），常用的單位還有：每秒千比特?cái)?shù)Kbps，每秒兆比特?cái)?shù)Mbps。串口典型的傳輸波特率600bps，1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps。

　　PLC/PC與稱重儀表通訊時(shí)，最常用的波特率是9600bps，19200bps。PLC/PC或儀表與大屏幕通訊時(shí)，最常用的波特率是600bps。

　　7 典型的串口通訊標(biāo)準(zhǔn)

　　EIA RS232（通常簡稱“RS232”）： 1962年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定。

　　EIA RS485（通常簡稱“RS485”）： 1983年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定。

　　8 RS232串口

　　RS232是計(jì)算機(jī)與通信工業(yè)應(yīng)用中最廣泛一種串行接口。它以全雙工方式工作，需要地線、發(fā)送線和接收線三條線。RS232只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。

　　8.1 RS232串口缺點(diǎn)

　　●接口信號電平值較高，接口電路芯片容易損壞。

　　●傳輸速率低，最高波特率19200bps。

　　●抗干擾能力較差。

　　●傳輸距離有限，一般在15m以內(nèi)。

　　●只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通訊方式。

　　8.2 RS232串口接口定義

　　RXD：接收數(shù)據(jù)，TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)，GND/SG：信號地。

　　8.3 電腦DB9針接口定義

　　電腦DB9針接口是常見的RS232串口，其引腳定義如下：

　　2號腳：RXD（接收數(shù)據(jù)）

　　3號腳：TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）

　　5號腳：SG或GND（信號地）

　　其它腳：我們不用

　　電腦RS232串口與儀表串口連接圖：

　　9 RS485串口

　　9.1 RS485串口特點(diǎn)

　　●RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有良好的抗干擾能力，信號能傳輸上千米。

　　●RS485有兩線制和四線制兩種接線。采用四線制時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的通訊（即只能有一個(gè)主設(shè)備，其余為從設(shè)備）。四線制現(xiàn)在很少采用，現(xiàn)在多采用兩線制接線方式。

　　●兩線制RS485只能以半雙式方式工作，收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行。

　　●RS485在同一總線上最多可以接32個(gè)結(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)通訊，但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)。

　　●因RS485接口具有良好的抗干擾能力，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)使其成為首選的串行接口。

　　9.2 485抑制共模干擾示意圖

　　9.3 RS485串口接口定義

　　A或Data+（D+）或+：信號正；

　　B或Data-（D-）或-：信號負(fù)。

　　9.4 計(jì)算機(jī)與RS485儀表通訊

　　計(jì)算機(jī)自帶的串口只有RS232，沒有RS485，如果計(jì)算機(jī)要與RS485串口的儀表進(jìn)行通訊，必須使用串口轉(zhuǎn)換器或裝上RS485串口轉(zhuǎn)換卡后才能進(jìn)行通訊。

　　9.5 RS485串口的終端電阻

　　●一般情況下不需要增加終端電阻，只有在RS485通信距離超過100米的情況下，要在RS485通訊的開始端和結(jié)束端增加終端電阻，RS485典型終端電阻是120歐。

　　●終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射在通信過程中，有兩種信號因?qū)е滦盘柗瓷洌鹤杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。

　　阻抗不連續(xù)，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個(gè)地方就會引起反射。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。

　　引起信號反射的另一原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。要減弱反射信號對通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，對于比較小的反射信號，為簡單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。

　　10 串口通訊硬件常見的注意事項(xiàng)

　　●通訊電纜端子一定接牢，不可有任何松動，否則，可能會燒壞儀表或上位機(jī)的通訊板。

　　●不可帶電拔插通訊端子，否則，可能會燒壞儀表或上位機(jī)的通訊板，一定要關(guān)閉儀表電源后才能去拔插通訊端子或接通訊線。

　　●通訊用的屏蔽電纜最好選用雙層隔離型屏蔽電纜，其次選用單層屏蔽電纜，最好不要選用無屏蔽層的電纜，且電纜屏蔽層一定要能完全屏蔽，有些質(zhì)量差的電纜，屏蔽層很松散，根本起不到屏蔽的作用。單層屏蔽的電纜屏蔽層應(yīng)一端接地，雙層屏蔽的電纜屏蔽層其外層（含鎧裝）應(yīng)兩端接地，內(nèi)層屏蔽則應(yīng)一端接地。

　　●儀表使用RS232通訊時(shí)，通訊電纜長度不得超過15米。

　　●一般RS485協(xié)議的接頭沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)，可能根據(jù)廠家的不同引腳順序和管腳功能可能不盡相同，用戶可以查閱相關(guān)產(chǎn)品RS485的引腳圖。

　　●RS485通訊電纜最好選用阻阬匹配、低衰減的RS485專用通訊電纜（雙絞線），不要使用普通的雙絞電纜或質(zhì)量較差的通訊電纜。因?yàn)槠胀娎|或質(zhì)量差的通訊電纜，可能阻抗不匹配、衰減大、絞合度不夠、屏蔽層太松散，這樣會導(dǎo)致干擾將非常大，會造成通訊不暢，甚至通訊不上。

　　●儀表使用RS485通訊時(shí)，每臺儀表必須手牽手地串下去，不可以有星型連接或者分叉，如果有星型連接或者分叉，干擾將非常大，會造成通訊不暢，甚至通訊不上。

　　●485總線結(jié)構(gòu)理論上傳輸距離達(dá)到1200米，一般是指通訊線材優(yōu)質(zhì)達(dá)標(biāo)，波特率9600，只有一臺485設(shè)備才能使得通訊距離達(dá)到1200米，而且能通訊并不代表每次通訊都正常，所以通常485總線實(shí)際的穩(wěn)定通訊距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到1200米。負(fù)載485設(shè)備多，線材阻抗不同時(shí)，通訊距離更短。

　　●儀表使用RS485通訊時(shí)，必要時(shí)，請接入終端電阻，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，典型的終端電阻阻值是120歐。

　　11 串口通訊軟件設(shè)置要點(diǎn)

　　11.1 有關(guān)通訊的一些基本概念

　　●主機(jī)與從機(jī)：在通訊系統(tǒng)中起主要作用、發(fā)布主要命令的稱為主機(jī)，接受命令的稱為從機(jī)。

　　●連續(xù)方式：指主機(jī)不需要發(fā)布命令，從機(jī)就能自動地向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　●指令方式：指主機(jī)向從機(jī)發(fā)布命令，從機(jī)根據(jù)指令執(zhí)行動作，并將結(jié)果“應(yīng)答”給主機(jī)的模式。

　　●輸出數(shù)據(jù)類型：指在連續(xù)方式通訊時(shí)，從機(jī)輸出給主機(jī)的數(shù)據(jù)類型。

　　●通訊協(xié)議：指主機(jī)與從機(jī)通訊時(shí)，按哪一種編碼規(guī)則來通訊。

　　●波特率：主從機(jī)之間通訊的速度。

　　●數(shù)據(jù)位：每次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)由幾位組成。

　　●校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤檢測，可以是奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)。

　　●地址：每一臺從機(jī)的編號。

　　11.2 主從機(jī)之間通訊設(shè)置要點(diǎn)

　　●要點(diǎn)一：主/從RS232/485硬件有無設(shè)置正確，通訊線有無接對。有些通訊板卡是RS422與RS485共用的，依靠板上跳線來實(shí)現(xiàn)的，有些儀表RS232/485也需要通訊跳線來實(shí)現(xiàn)。

　　●要點(diǎn)二：主機(jī)上的通訊端口有無設(shè)置正確；超時(shí)（一般設(shè)置為2s）、通訊延時(shí)（一般設(shè)置為5～20ms）、ACK信號延時(shí)（一般設(shè)置為0ms）有無設(shè)置正確。

　　●要點(diǎn)三：主/從機(jī)通訊協(xié)議有無選擇正確。

　　●要點(diǎn)四：主/從機(jī)波特率有無選擇正確。

　　●要點(diǎn)五：主/從機(jī)數(shù)據(jù)位有無選擇正確。數(shù)據(jù)位可以選擇7位，8位。

　　●要點(diǎn)六：主/從機(jī)校驗(yàn)位有無選擇正確。校驗(yàn)位一般可選擇偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、無校驗(yàn)。

　　●要點(diǎn)七：主/從機(jī)停止位有無選擇正確。停止位可以選擇1位、1.5位還是2位。

　　●要點(diǎn)八：從機(jī)地址有無選擇正確。

　　●要點(diǎn)九：主/從機(jī)的通訊方式有無選擇正確。

　　進(jìn)行通訊測試的時(shí)候經(jīng)常會進(jìn)行線路測試，測試所用的串口線是否可用，方法有二如下：

　　1 把串口線接到不同的串口，用串口調(diào)試工具從一個(gè)串口發(fā)數(shù)據(jù)，另一個(gè)能正常收到說明串口線是OK的。

　　2 把串口線的一端短接（用金屬把2，3號腳連通），用萬用表測另一端的2，3號如果正常的話會有嘀嘀的短接報(bào)警聲。