RS232、RS485、RS422、串口與握手基礎(chǔ)知識詳細介紹

　　一、RS232基礎(chǔ)知識

　　個人計算機上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會（ElectronicIndustriesAssociation，EIA）所制定的異步傳輸標準接口。通常RS-232接口以9個引腳（DB-9）或是25個引腳（DB-25）的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組RS-232接口，分別稱為COM1和COM2。

　　在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。

　　RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。具體通訊距離還與通信速率有關(guān)，例如，在9600pbs時，普通雙絞屏蔽線時，距離可達30-35米。

　　rs232的特點：

　　（1）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

　?。?）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps；因此在CPLD開發(fā)板中，綜合程序波特率只能采用19200，也是這個原因。

　?。?）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

　?。?）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在15米左右。

　　傳輸電纜：

　　RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制。

　　例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

　　由RS-232C標準規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長度應(yīng)為50英尺，其實這個4%的碼元畸變是很保守的，在實際應(yīng)用中，約有99%的用戶是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實際使用中最大距離會遠超過50英尺，美國DEC公司曾規(guī)定允許碼元畸變?yōu)?0%而得出下面實驗結(jié)果。其中1號電纜為屏蔽電纜，型號為DECP.NO.9107723內(nèi)有三對雙絞線，每對由22#AWG組成，其外覆以屏蔽網(wǎng)。2號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯電纜。

　　鏈路層：

　　在RS-232標準中，字符是以一系列位元來一個接一個的傳輸。最長用的編碼格式是異步起停asynchronousstart-stop格式，它使用一個起始位后面緊跟7或8個數(shù)據(jù)比特，這個可能是奇偶位，然后是兩個停止位。所以發(fā)送一個字符需要10比特，帶來的一個好的效果是使全部的傳輸速率，發(fā)送信號的速率以10分劃。

　　串行通信在軟件設(shè)置里需要做多項設(shè)置，最常見的設(shè)置包括波特率、奇偶校驗和停止位。波特率是指從一設(shè)備發(fā)到另一設(shè)備的波特率，即每秒鐘多少比特bitspersecond（bit/s）。典型的波特率是300、1200、2400、9600、19200等bit/s。一般通信兩端設(shè)備都要設(shè)為相同的波特率，但有些設(shè)備也可以設(shè)置為自動檢測波特率。

　　奇偶校驗Parity是用來驗證數(shù)據(jù)的正確性。奇偶校驗一般不用，如果使用，那么既可以做奇校驗也可以做偶校驗。奇偶校驗是通過修改每一發(fā)送字節(jié)（也可以限制發(fā)送的字節(jié)）來工作的。如果不作奇偶校驗，那么數(shù)據(jù)是不會被改變的。在偶校驗中，因為奇偶校驗位會被相應(yīng)的置1或0（一般是最高位或最低位），所以數(shù)據(jù)會被改變以使得所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中“1”的個數(shù)為偶數(shù)；在奇校驗中，所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。奇偶校驗可以用于接受方檢查傳輸是否發(fā)送生錯誤——如果某一字節(jié)中“1”的個數(shù)發(fā)生了錯誤，那么這個字節(jié)在傳輸中一定有錯誤發(fā)生。如果奇偶校驗是正確的，那么要么沒有發(fā)生錯誤要么發(fā)生了偶數(shù)個的錯誤。

　　停止位是在每個字節(jié)傳輸之后發(fā)送的，它用來幫助接受信號方硬件重同步。

　　在串行通信軟件設(shè)置中D/P/S是常規(guī)的符號表示。8/N/1（非常普遍）表明8bit數(shù)據(jù)，沒有奇偶校驗，1bit停止位。數(shù)據(jù)位可以設(shè)置為7、8或者9，奇偶校驗位可以設(shè)置為無（N）、奇（O）或者偶（E），奇偶校驗位可以使用數(shù)據(jù)中的比特位，所以8/E/1就表示一共8位數(shù)據(jù)位，其中一位用來做奇偶校驗位。停止位可以是1、1.5或者2位的（1.5是用在波特率為60wpm的電傳打字機上的）。

　　二、RS485基礎(chǔ)知識

　　智能儀表是隨著80年代初單片機技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的，現(xiàn)在世界儀表市場基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時其中的一個必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。最初是數(shù)據(jù)模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口是RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個問題。

　　rs485特點：

　　1.RS-485的電氣特性：采用差分信號正邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2~6）V表示；邏輯”0“以兩線間的電壓差為-（2~6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

　　2.RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。

　　3.RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。

　　4.RS-485最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，傳輸速率與傳輸距離成反比，傳輸速率越低，傳輸距離越長，如果需傳輸比RS-485最大通信距離更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。

　　電纜：

　　在低速、短距離、無干擾的場合可以采用普通的雙絞線，反之，在高速、長線傳輸時，則必須采用阻抗匹配（一般為120Ω）的RS485專用電纜（STP-120Ω（forRS485&CAN）onepair18AWG），而在干擾惡劣的環(huán)境下還應(yīng)采用鎧裝型雙絞屏蔽電纜（ASTP-120Ω（forRS485&CAN）onepair18AWG）。在使用RS485接口時，對于特定的傳輸線路，從RS485接口到負載其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的最大電纜長度與信號傳輸?shù)牟ㄌ芈食煞幢龋@個長度數(shù)據(jù)主要是受信號失真及噪聲等所影響。理論上，通信速率在100Kbps及以下時，RS485的最長傳輸距離可達1200米，但在實際應(yīng)用中傳輸?shù)木嚯x也因芯片及電纜的傳輸特性而所差異。在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對信號進行放大，最多可以加八個中繼，也就是說理論上RS485的最大傳輸距離可以達到10.8公里。如果真需要長距離傳輸，可以采用光纖為傳播介質(zhì)，收發(fā)兩端各加一個光電轉(zhuǎn)換器，多模光纖的傳輸距離是5到10公里，而采用單模光纖可達50公里的傳播距離。

　　傳輸速率與傳輸距離：

　　RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps，最大的通信距離約為1219M，傳輸速率與傳輸距離成反比，在10Kb/S的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離。

　　但是由于RS-485常常要與PC機的RS-232口通信，所以實際上一般最高115.2Kbps。又由于太高的速率會使RS-485傳輸距離減小，所以往往為9600bps左右或以下。

　　三、RS422基礎(chǔ)知識

　　RS-422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。實際上還有一根信號地線，共5根線。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比RS232更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。一個主設(shè)備（Master），其余為從設(shè)備（Slave），從設(shè)備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗為4k，故發(fā)端最大負載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。

　　RS422特性：

　　RS-422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mb/s。

　　RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300米以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。

　　RS422有關(guān)電氣參數(shù)：

　　四、RS232、RS422和RS485的區(qū)別

　　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1Mb/s，但大部分設(shè)備限于115.2kb/s及以下。

　　RS-422（EIARS-422-AStandard）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10Mb/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(yīng)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(shè)備。RS-485總線上的任意從設(shè)備都可以與任意其他32個從設(shè)備進行通信，無需經(jīng)由主設(shè)備。由于RS-422是RS-485的子集，因而所有RS-422設(shè)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(shè)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NIRS-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-232RS-422RS-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50ft（2500pF）4000ft4000ft

　　最大數(shù)據(jù)速率（最大線纜長度時）160kb/s（最高可達1Mb/s）10Mb/s10Mb/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

　　五、串口與握手基礎(chǔ)知識

　?。ㄒ唬┐诨A(chǔ)知識

　　串口是計算機上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線UniversalSerialBus或者USB混淆）。大多數(shù)計算機包含兩個基于RS232的串口。串口同時也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多GPIB兼容的設(shè)備也帶有RS-232口。同時，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。

　　串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過20米，并且任意兩個設(shè)備間的長度不得超過2米；而對于串口而言，長度可達1200米。

　　典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。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)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。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。對于兩個進行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：

　　1、波特率

　　這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個bit。當我們提到時鐘周期時，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。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。

　　2、數(shù)據(jù)位

　　這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)不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，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)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包”指任何通信的情況。

　　3、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(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)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。

　　4、奇偶校驗位

　　在串口通信中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(shè)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，校驗位位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(shè)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者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。

　?。ǘ┪帐只A(chǔ)知識

　　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)定時采用使用相同的波特率。盡管這種方法對于大多數(shù)應(yīng)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。

　　1、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(shè)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buffer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buffer空了。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buffer半滿時，LabWindows發(fā)送XOFF。此外，如果XOFF傳輸被打斷，LabWindows會在buffer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)。

　　2、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（RequesttoSend）和CTS（CleartoSend）。當接收方準備好接收數(shù)據(jù)，它置高RTS線表示它準備好了，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（DataTerminalReady）和DSR（DataSetReady）。這些現(xiàn)主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他們的狀態(tài)。例如：當Modem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，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。

　　如果端口隊列近乎空了，庫函數(shù)置高RTS，但使DRT維持高電平。

　　如果端口關(guān)閉，庫函數(shù)置低RTS和DTR。

　　3、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Modem通信中非常通用。盡管它通常使用在Modem通信中，XModem協(xié)議能夠直接在其他遵循這個協(xié)議的設(shè)備通信中使用。在LabWindows中，實際的XModem應(yīng)用對用戶隱藏了。只要PC和其他設(shè)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_data、neg_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_ties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，然后想發(fā)送方發(fā)送響應(yīng)。如果發(fā)送方?jīng)]有收到響應(yīng)，它會重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到收到響應(yīng)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(yīng)，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NULL（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。