什么是串口通訊？串口通訊的通訊協(xié)議技術(shù)詳解

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 href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1301/" 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)單過程量，后來儀表接口出現(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中都是通過一根線的高低電平來判斷邏輯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，所以兩者是不可以兼得的。

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)字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來填充。

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。

TXD：數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；RXD：數(shù)據(jù)輸入引腳

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

STM32串口通訊代碼

STM32中串口通訊已經(jīng)給大家建好了相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，大家在使用和配置串口的時(shí)候直接進(jìn)行調(diào)用庫(kù)函數(shù)和配置就行了，請(qǐng)大家參照一下代碼：

1、初始化結(jié)構(gòu)體代碼

typedef?struct?{ ?uint32_t?USART_BaudRate;?//?波特率 ?uint16_t?USART_WordLength;?//?字長(zhǎng) ?uint16_t?USART_StopBits;?//?停止位 ?uint16_t?USART_Parity;?//?校驗(yàn)位 ?uint16_t?USART_Mode;?//?USART?模式 ?uint16_t?USART_HardwareFlowControl;?//?硬件流控制 ?}?USART_InitTypeDef;

2、NVIC配置中斷優(yōu)先級(jí)

NVIC_Configuration(void) { ??NVIC_InitTypeDef?NVIC_InitStructure; ?? ??/*?嵌套向量中斷控制器組選擇?*/ ??NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); ?? ??/*?配置USART為中斷源?*/ ??NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel?=?DEBUG_USART_IRQ; ??/*?搶斷優(yōu)先級(jí)*/ ??NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority?=?1; ??/*?子優(yōu)先級(jí)?*/ ??NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority?=?1; ??/*?使能中斷?*/ ??NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd?=?ENABLE; ??/*?初始化配置NVIC?*/ ??NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); }

3、USART配置函數(shù)

void?DEBUG_USART_Config(void) { ?GPIO_InitTypeDef?GPIO_InitStructure; ?USART_InitTypeDef?USART_InitStructure; ? ?/*?第一步：初始化GPIO */ ??//?打開串口GPIO的時(shí)鐘 ?DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK,?ENABLE); ??//?將USART?Tx的GPIO配置為推挽復(fù)用模式 ?GPIO_InitStructure.GPIO_Pin?=?DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN; ?GPIO_InitStructure.GPIO_Mode?=?GPIO_Mode_AF_PP; ?GPIO_InitStructure.GPIO_Speed?=?GPIO_Speed_50MHz; ?GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT,?&GPIO_InitStructure); ??//?將USART?Rx的GPIO配置為浮空輸入模式 ?GPIO_InitStructure.GPIO_Pin?=?DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN; ?GPIO_InitStructure.GPIO_Mode?=?GPIO_Mode_IN_FLOATING; ?GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT,?&GPIO_InitStructure);? ? ?/*?第二步：配置串口的初始化結(jié)構(gòu)體?*/ ??//?打開串口外設(shè)的時(shí)鐘 ?DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK,?ENABLE); ?//?配置串口的工作參數(shù) ?//?配置波特率 ?USART_InitStructure.USART_BaudRate?=?DEBUG_USART_BAUDRATE; ?//?配置?針數(shù)據(jù)字長(zhǎng) ?USART_InitStructure.USART_WordLength?=?USART_WordLength_8b; ?//?配置停止位 ?USART_InitStructure.USART_StopBits?=?USART_StopBits_1; ?//?配置校驗(yàn)位 ?USART_InitStructure.USART_Parity?=?USART_Parity_No?; ?//?配置硬件流控制 ?USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl?=?USART_HardwareFlowControl_None; ?//?配置工作模式，收發(fā)一起 ?USART_InitStructure.USART_Mode?=?USART_Mode_Rx?|?USART_Mode_Tx; ?//?完成串口的初始化配置 ?USART_Init(DEBUG_USARTx,?&USART_InitStructure); /*--------------------------------------------------------*/ ?//?串口中斷優(yōu)先級(jí)配置 ?NVIC_Configuration(); ? ?//?使能串口接收中斷 ?USART_ITConfig(DEBUG_USARTx,?USART_IT_RXNE,?ENABLE); /*--------------------------------------------------------*/ ? ?/*?第三步：使能串口?*/? ??//?使能串口 ?USART_Cmd(DEBUG_USARTx,?ENABLE);? }

編輯：黃飛