串口通信的幾個概念

串口是串行接口（serial port）的簡稱，也稱為串行通信接口或COM接口。串口通信是指采用串行通信協(xié)議（serial communication）在一條信號線上將數(shù)據(jù)一個比特一個比特地逐位進行傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ?。串口?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣標準及協(xié)議來劃分，包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

在串行通信中，數(shù)據(jù)在1位寬的單條線路上進行傳輸，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)要分為8次，由低位到高位按順序一位一位的進行傳送。串行通信的數(shù)據(jù)是逐位傳輸?shù)模l(fā)送方發(fā)送的每一位都具有固定的時間間隔，這就要求接收方也要按照發(fā)送方同樣的時間間隔來接收每一位。不僅如此，接收方還必須能夠確定一個信息組的開始和結(jié)束。

常用的兩種基本串行通信方式包括同步通信和異步通信。

串行同步通信

同步通信（SYNC:synchronous data communication）是指在約定的通信速率下，發(fā)送端和接收端的時鐘信號頻率和相位始終保持一致（同步），這樣就保證了通信雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時具有完全一致的定時關(guān)系。

同步通信把許多字符組成一個信息組（信息幀），每幀的開始用同步字符來指示，一次通信只傳送一幀信息。在傳輸數(shù)據(jù)的同時還需要傳輸時鐘信號，以便接收方可以用時針信號來確定每個信息位。

同步通信的優(yōu)點是傳送信息的位數(shù)幾乎不受限制，一次通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有幾十到幾千個字節(jié)，通信效率較高。同步通信的缺點是要求在通信中始終保持精確的同步時鐘，即發(fā)送時鐘和接收時鐘要嚴格的同步。常用的做法是兩個設(shè)備使用同一個時鐘源。

在串口通信與編程中應(yīng)用最多的是異步通信方式。

串行異步通信過程

異步通信（ASYNC：asynchronous data communication），又稱為起止式異步通信，是以字符為單位進行傳輸?shù)?，字符之間沒有固定的時間間隔要求，而每個字符中的各位則以固定的時間傳送。

在異步通信中，收發(fā)雙方取得同步是通過在字符格式中設(shè)置起始位和停止位的方法來實現(xiàn)的。具體來說就是，在一個有效字符正式發(fā)送之前，發(fā)送器先發(fā)送一個起始位，然后發(fā)送有效字符位，在字符結(jié)束時再發(fā)送一個停止位，起始位至停止位構(gòu)成一幀。停止位至下一個起始位之間是不定長的空閑位，并且規(guī)定起始位為低電平（邏輯值為0），停止位和空閑位都是高電平（邏輯值為1），這樣就保證了起始位開始處一定會有一個下跳沿，由此就可以標志一個字符傳輸?shù)钠鹗肌６鶕?jù)起始位和停止位也就很容易的實現(xiàn)了字符的界定和同步。

顯然，采用異步通信時，發(fā)送端和接收端可以由各自的時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個時鐘源彼此獨立，可以互不同步。

下面簡單的說說異步通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程。

數(shù)據(jù)格式

在介紹異步通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程之前，有必要先弄清楚異步通信的數(shù)據(jù)格式。

異步通信規(guī)定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式由起始位（start bit）、數(shù)據(jù)位（data bit）、奇偶校驗位（parity bit）和停止位（stop bit）組成，異步通信數(shù)據(jù)格式如下圖所示（該圖中未畫出奇偶校驗位，因為奇偶檢驗位不是必須有的，如果有奇偶檢驗位，則奇偶檢驗位應(yīng)該在數(shù)據(jù)位之后，停止位之前）。

（1）起始位：起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯0電平，標志傳輸一個字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時鐘與發(fā)送方的數(shù)據(jù)同步。

（2）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，一般可以是5位、7位或8位，標準的ASCII碼是0~127（7位），擴展的ASCII碼是0~255（8位）。傳輸數(shù)據(jù)時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

（3）奇偶校驗位：奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，奇偶檢驗位不是必須有的。如果是奇校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個邏輯高位；如果是偶校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個邏輯高位。

舉例來說，假設(shè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位為01001100，如果是奇校驗，則奇校驗位為0（要確保總共有奇數(shù)個1），如果是偶校驗，則偶校驗位為1（要確?？偣灿信紨?shù)個1）。

由此可見，奇偶校驗位僅是對數(shù)據(jù)進行簡單的置邏輯高位或邏輯低位，不會對數(shù)據(jù)進行實質(zhì)的判斷，這樣做的好處是接收設(shè)備能夠知道一個位的狀態(tài)，有可能判斷是否有噪聲干擾了通信以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否同步。

（4）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，標志著傳輸一個字符的結(jié)束。

（5）空閑位：空閑位是指從一個字符的停止位結(jié)束到下一個字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來填充。

數(shù)據(jù)發(fā)送過程

清楚了異步通信的數(shù)據(jù)格式之后，就可以按照指定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送數(shù)據(jù)了，發(fā)送數(shù)據(jù)的具體步驟如下：

（1）初始化后或者沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，發(fā)送端輸出邏輯1，可以有任意數(shù)量的空閑位。

（2）當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端首先輸出邏輯0，作為起始位。

（3）接著就可以開始輸出數(shù)據(jù)位了，發(fā)送端首先輸出數(shù)據(jù)的最低位D0，然后是D1，最后是數(shù)據(jù)的最高位。

（4）如果設(shè)有奇偶檢驗位，發(fā)送端輸出檢驗位。

（5）最后，發(fā)送端輸出停止位（邏輯1）。

（6）如果沒有信息需要發(fā)送，發(fā)送端輸出邏輯1（空閑位），如果有信息需要發(fā)送，則轉(zhuǎn)入步驟（2）。

數(shù)據(jù)接收過程

在異步通信中，接收端以接收時鐘和波特率因子決定每一位的時間長度。下面以波特率因子等于16（接收時鐘每16個時鐘周期使接收移位寄存器移位一次）為例來說明。

（1）開始通信，信號線為空閑（邏輯1），當檢測到由1到0的跳變時，開始對接收時鐘計數(shù)。

（2）當計到8個時鐘的時候，對輸入信號進行檢測，若仍然為低電平，則確認這是起始位，而不是干擾信號。

（3）接收端檢測到起始位后，隔16個接收時鐘對輸入信號檢測一次，把對應(yīng)的值作為D0位數(shù)據(jù)。

（4）再隔16個接收時鐘，對輸入信號檢測一次，把對應(yīng)的值作為D1位數(shù)據(jù)，直到全部數(shù)據(jù)位都輸入。

（5）檢驗奇偶檢驗位。

（6）接收到規(guī)定的數(shù)據(jù)位個數(shù)和校驗位之后，通信接口電路希望收到停止位（邏輯1），若此時未收到邏輯1，說明出現(xiàn)了錯誤，在狀態(tài)寄存器中置“幀錯誤”標志；若沒有錯誤，對全部數(shù)據(jù)位進行奇偶校驗，無校驗錯時，把數(shù)據(jù)位從移位寄存器中取出送至數(shù)據(jù)輸入寄存器，若校驗錯，在狀態(tài)寄存器中置“奇偶錯”標志。

（7）本幀信息全部接收完，把線路上出現(xiàn)的高電平作為空閑位。

（8）當信號再次變?yōu)榈蜁r，開始進入下一幀的檢測。

以上就是異步通信中數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的全過程了。

串口通信的幾個概念

為了更好的理解串口通信，我們還需要了解幾個串口通信當中的基本概念。

（1）發(fā)送時鐘：發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入移位寄存器，然后在發(fā)送時鐘的控制下，將該并行數(shù)據(jù)逐位移位輸出。

（2）接收時鐘：在接收串行數(shù)據(jù)時，接收時鐘的上升沿對接收數(shù)據(jù)采樣，進行數(shù)據(jù)位檢測，并將其移入接收器的移位寄存器中，最后組成并行數(shù)據(jù)輸出。

（3）波特率因子：波特率因子是指發(fā)送或接收1個數(shù)據(jù)位所需要的時鐘脈沖個數(shù)。

串口接頭

常用的串口接頭有兩種，一種是9針串口（簡稱DB-9），一種是25針串口（簡稱DB-25）。每種接頭都有公頭和母頭之分，其中帶針狀的接頭是公頭，而帶孔狀的接頭是母頭。下圖是DB-9外觀圖

由上圖可以看出，在9針串口接頭中，公頭和母頭的管腳定義順序是不一樣的，這一點需要特別注意。那么，這個管腳都有什么作用呢？9針串口和25針串口常用管腳的功能說明如下圖所示。

RS-232C標準

常用的串行通信接口標準有RS-232C、RS-422、RS-423和RS-485。其中，RS-232C作為串行通信接口的電氣標準定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE:data terminal equipment）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE:data communication equipment）間按位串行傳輸?shù)慕涌谛畔?，合理安排了接口的電氣信號?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1472/" target="_blank">機械要求，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

電氣特性

RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號功能都做了規(guī)定。

在TXD和RXD數(shù)據(jù)線上：

邏輯1為-3~-15V的電壓。

邏輯0為3~15V的電壓。

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：

信號有效（ON狀態(tài)）為3~15V的電壓。

信號無效（OFF狀態(tài)）為-3~-15V的電壓。

由此可見，RS-232C是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與晶體管-晶體管邏輯集成電路（TTL）以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定正好相反。

信號線分配

RS-232C標準接口有25條線，其中，4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時線以及7條備用和未定義線。

那么，這些信號線在9針串口和25針串口的管腳上是如何分配的呢？9針串口和25針串口信號線分配如下圖所示。

下面對這些信號線做個簡單的介紹。

（1）數(shù)據(jù)裝置準備好（DSR），有效狀態(tài)（ON）表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備處于可以使用狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)終端準備好（DTR），有效狀態(tài)（ON）表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備處于可以使用狀態(tài)。

這兩個設(shè)備狀態(tài)信號有效，只表示設(shè)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一些控制信號決定。

（3）請求發(fā)送（RTS），用來表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）請求數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4）允許發(fā)送（CTS），用來表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）已經(jīng)準備好了數(shù)據(jù)，可以向數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）發(fā)送數(shù)據(jù)，是對請求發(fā)送信號RTS的響應(yīng)。請求發(fā)送（RTS）和允許發(fā)送（CTS）用于半雙工的通信系統(tǒng)中，在全雙工的系統(tǒng)中，不需要使用請求發(fā)送（RTS）和允許發(fā)送（CTS）信號，直接將其置為ON即可。

（5）數(shù)據(jù)載波檢出（DCD），用于表示數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）已接通通信鏈路，告知數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）準備接收數(shù)據(jù)。

（6）振鈴指示（RI），當數(shù)據(jù)通信設(shè)備收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效（ON），通知終端，已被呼叫。

（7）發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD），數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）通過該信號線將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）。

（8）接收信號（RXD），數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）通過該信號線接收從數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。

（9）地線（SG、PG），分別表示信號地和保護地信號線。

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