有線傳輸方式之串口通信

在之前的文章中小編介紹了什么是CAN總線，包括CAN總線的數(shù)據(jù)格式和通信特點(diǎn)等方面的內(nèi)容，今天將分享串口通信相關(guān)知識內(nèi)容。CAN總線、串口通信都屬于比較常見的有線傳輸方式。

有線傳輸方式

第二期：串口通信

什么是串口通信？

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

特點(diǎn)：數(shù)據(jù)位的傳輸按位順序執(zhí)行，最少只需一根傳輸線即可完成；成本低但傳輸速度慢。串口通信的距離可以從幾米到幾千米。

串口通信的數(shù)據(jù)格式

一個(gè)完整的串口數(shù)據(jù)格式包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、波特率等幾個(gè)參數(shù)。

起始位：起始位必須是持續(xù)一個(gè)bit時(shí)間的邏輯0電平，它標(biāo)志傳輸一個(gè)字符的開始。接收端可通過起始位使自身時(shí)鐘與發(fā)送端的數(shù)據(jù)同步。

數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位在起始位的后面，是串口通信的有效信息。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以由通信雙方共同約定，通常為8個(gè)bit。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)先傳輸字符的低位，后傳輸字符的高位。

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)。該位不是必須有的。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1位、1.5位或2位。必須是邏輯1電平，它標(biāo)志傳輸一個(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，表示傳輸線路處于空閑狀態(tài)，串口空閑時(shí)處于高電平。

波特率：波特率是串口通信中最常用的重要參數(shù)。它指的是串口通信的速率，也就是串口通信時(shí)每秒鐘可以傳輸多少個(gè)二進(jìn)制位。例如波特率為9600，則說明每秒鐘可以傳輸9600個(gè)二進(jìn)制位，即傳輸一個(gè)二進(jìn)制位需要的時(shí)間為1/9600秒。

電平標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)通訊使用的電平標(biāo)準(zhǔn)不同，串口通訊可分為TTL 標(biāo)準(zhǔn)及RS-232 標(biāo)準(zhǔn)，見下表。

我們知道常見的電子電路中常使用TTL的電平標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下，使用5V表示二進(jìn)制邏輯1，使用0V表示邏輯0；而RS232為了增加串口通訊的遠(yuǎn)距離傳輸及抗干擾能力，它使用-15V 表示邏輯1，+15V 表示邏輯0。

因?yàn)?a target="_blank">控制器一般使用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，所以常常會使用MA3232芯片對TTL及RS-232電平的信號進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。

主要的串口通信方式

先簡單了解下什么是單雙工通訊。

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。

串口通信主要分為RS232、RS422、RS485三種通信方式。

RS232

RS-232是IBM-PC及其兼容機(jī)上的串行連接標(biāo)準(zhǔn)。全雙工通信，需要地線、發(fā)送線和接收線三條線。RS-232只限于PC串口和設(shè)備間點(diǎn)對點(diǎn)的通信，抗干擾能力較差，最遠(yuǎn)通信距離是50英尺。RS-232可用于許多用途，比如連接鼠標(biāo)、打印機(jī)、工業(yè)儀器儀表，也用于驅(qū)動和連線的改進(jìn)，實(shí)際應(yīng)用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標(biāo)準(zhǔn)的值。

RS422

RS-422（EIA RS-422-A Standard）是Apple的Macintosh計(jì)算機(jī)的串口連接標(biāo)準(zhǔn)。采用全雙工通訊方式，有4根信號線，收與發(fā)是分開的，可以同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)。RS-422接口的最大傳輸距離為4000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mb/s。

RS-422使用差分信號以及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，它能更好地抗噪聲和有更遠(yuǎn)的傳輸距離，在工業(yè)環(huán)境中尤為適用。

RS485

RS-485采用半雙工通訊方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。因?yàn)樗黾恿嗽O(shè)備的個(gè)數(shù)，同時(shí)定義了在最大設(shè)備個(gè)數(shù)情況下的電氣特性，以保證足夠的信號電壓。RS-485具有出色抗噪和多設(shè)備能力，RS-485可用超過4000英尺的線進(jìn)行串行通行。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。RS-422設(shè)備可以被RS-485控制。

串口通信問題排查

我們排查串口通信問題的方向基本為以下幾部分，如圖所示。

1.檢查中間件

串口通信必然存在發(fā)送端和接收端，且兩者通過中間件（例如導(dǎo)線），遇到問題，首先應(yīng)該保證導(dǎo)線連接正常。如果這一部分沒有確定，直接排查其他方向，很可能在做無用功。

2.排查硬件層

通過邏輯分析儀、示波器等儀器來判斷發(fā)送端、接收端在發(fā)送、接收、空閑時(shí)的引腳波形是否正常。串口空閑時(shí)為高電平，有數(shù)據(jù)時(shí)才會有電平變化。同時(shí)需要確定電壓是否正常。波形測量的位置先從最終點(diǎn)開始測量，然后依次排查中間部分的探測點(diǎn)，來判斷問題位置。

如果發(fā)現(xiàn)波形變形、失真、電壓不正常等情況，請讓硬件工程師協(xié)助進(jìn)行排查。在其起始點(diǎn)可以看到波形，但是終點(diǎn)看不到，需要使用萬用表來確定是否引腳存在虛焊。

3.檢查串口驅(qū)動層

如果排查了硬件無問題以后，但是發(fā)送端串口沒有波形，這時(shí)候就需要檢查串口驅(qū)動是否配置成功了?？梢韵葘l(fā)送端的Tx、Rx引腳短接，進(jìn)行回環(huán)測試。最好先用一個(gè)簡單例程進(jìn)行測試，盡量排除多個(gè)變量的影響。排查時(shí)需要特別注意的是，不能只看代碼邏輯，要注重實(shí)際調(diào)試，善于利用軟件調(diào)試窗口來觀察相關(guān)寄存器的值。

4.應(yīng)用協(xié)議層

通過以上方向的排查，可以證明自發(fā)自收沒有問題。接下來就驗(yàn)證雙方是否可以正常通信。應(yīng)用協(xié)議層可能存在的問題有：

①發(fā)送端與接收端數(shù)據(jù)協(xié)議有問題，例如CRC、幀頭幀尾校驗(yàn)、解析數(shù)據(jù)包等方面。

②發(fā)送端與接收端串口配置的參數(shù)：波特率、校驗(yàn)位不一致，導(dǎo)致無法通信。

另外大家也需要注意下面這幾點(diǎn)：

①由于信號容易被干擾，建議使用帶屏蔽線，并且接線一定要嚴(yán)格，需要接地的最好接地。有些485通信，還需要考慮接上終端電阻來匹配。如果是RS232通信，盡量不要讓線太長。

②因?yàn)楹芏嘣O(shè)備通過外部晶振或者內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)算的波特率都是存在誤差的。這樣的話一旦報(bào)文過長，會導(dǎo)致誤差累積，進(jìn)而出現(xiàn)串口識別亂碼或者收不到的情況。

③在一些可能會存在干擾的地方，可以考慮使用奇校驗(yàn)或者偶校驗(yàn)，這樣可以將錯誤的報(bào)文過濾掉或者盡量使用一些數(shù)據(jù)校驗(yàn)協(xié)議，防止數(shù)據(jù)出錯。

審核編輯：湯梓紅