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串行通讯概述

作者：mokuai 发布时间：2011-10-26 15:00 信息来源：未知浏览：

串行通讯简介

1、通讯的种类

一般的通信形式分为两种，并行通信和串行通信；

并行通信一次传输量为8个位（1个字节）,而串行通讯一次只传输一个位；

并行通信明显比串行通信的速度快，但并行通信在数据发送的过程中，容易因线路的因素（电压衰减、信号间互相干扰等）使得标准电位发生变化而使传输的数据发生错误，在长距离传输的情况下，上述因素会更加明显，数据的传输也就更容易发生错误；串行通讯一次只传输一个位，因此相比之下传输数据不容易遗失。因此在短距离、大传输数据量的场合中，并行通讯的应用较广，串行通讯在长距离、要求高准确率的情况下应用较广。

2、串行通信：

常用的串行通信有两种，RS232与RS485，USB、IEEE-1394也属于串行通信的扩展。

2．1、工作模式：

工作模式分为全双工与半双工、单工

全双工（Full Duplex）是指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。RS232属于全双工通信。

半双工（Half Duplex）是指一个时间段内只有一个动作发生，举个简单例子，一条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过，当目前有两量车对开，这种情况下就只能一辆先过，等到头儿后另一辆再开，这个例子就形象的说明了半双工的原理。RS485属于半双工通信。

单工通信是指通信线路上的数据按单一方向传送。。

工作模式可比喻为双向车道、调拨车道和单行道。

2．2、RS232串行通信

RS-232-C是美国电子工业协会EIA （Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

（1）接口的电气特性：在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-5— -15V；逻辑“0” +5— +15V 。干扰容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”

（2）接口的物理结构： RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端. 一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。

（3）接口的信号内容：实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。

标准25针与9针接口的连接关系如下：

引脚定义：

引脚简写	引脚定义	9针串口	25针串口	说明
CD	载波检测	1	8	从站反馈给主站的连接信号
RXD	接收字符	2	3	接收从站发送来的数据
TXD	发送字符	3	2	向从站发送数据
DTR	数据端准备完成	4	20	由主站控制,高电位表示可以接收数据
GND	接地端	5	7	接地
DSR	数据准备完成	6	6	由从站控制,高电位表示主站可以发送数据
RTS	要求发送	7	4	由主站控制,高电位表示主站要求从站发送数据
CTS	清除以发送	8	5	由从站控制,高电位表示从站要求主站发送数据
RI	响铃检测	9	22	定义为震铃信号,当特殊事件发生在从站, 从站变化此电位通知主站

注1：最简单的RS232连接只连接2、3引脚即可发送与接收数据，直连地线，是因为RS232的信号结果是由接收端电平与地线的标准电位比较而得来的，若通信两端标准电位不一致，则很容易导致信号因标准电位的不同而产生错误；

注2：最初的RS232串口通信使用的是25针引脚，方便同步传输使用，包含备用信号接收发送等引脚，现在的232设备已很少采用25针引脚；

2．3、RS485通信

当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线CAN、Profibus、INTERBUS-S以及ARCNet的物理层都是基于RS-485的总线进行总结和研究。

概述：RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

特点：

（1）接口电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2~6） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2~6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片。

（2） RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

差分输入：RS485的信号在发送出去之前先分解为正、负个电平信号，当信号到达接收端后，再将信号相减，还原成原来的信号。将原始信号标志为（DT），被分解的信号标志为（D+）和（D-），则原始信号被分解后的运算关系如下：

关系A：（DT）= （D+）-（D-）

接收端接收到信号后，会按上述关系将信号还原；

如果此线路受到干扰，设干扰信号为N,则上述关系则会如下变化：

关系B：（DT）=[（D+）+No]-[（D-）+No]

结果与A相同。所以，使用485网络可以有效的防止干扰，也正因为这种特性，工业上比较适合使用这种串行传输方式。

（3） RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米；RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

2．4、通信参数：

流量控制：软件握手、硬件握手

为了保证传输双方都能正确的发送和接收数据而不丢失而采用传输控制。比如，传输工作进行时，发送速度大于接收速度，而接收端的处理速度缓慢，接收缓冲区就会在一定的时间后溢出，接下来的数据就会丢失。

硬件握手：以RS232为例，通过6（DSR）、8（CTS）、4（DTR）、7（RTS）引脚的交互作用、电位的高低变化可以控制数据继续或者暂停发送。

软件握手：若接收端（A）需要发送端（B）暂停发送数据，便向发送端（B）发送一个标志，通常为19（0x13）;恢复发送便想发送端（B）发送另一标志，通常为17（0x11）。两个字符间的交替使用，可以有效控制缓冲溢出而导致的数据丢失等问题。

起始位与停止位：

由于异步串行传输没有使用同步脉冲作为基准，所以接收端无法判断发送端何时进行数据的发送，而当发送端准备开始发送数据时，发送端会在所发送的字符前后分别加上高电位的起始位（逻辑0）和低电位的停止位（逻辑1）。接收端会因起始位的触发开始接收数据，因停止位的通知而确认字符结束。

起始位定义为1位，停止位根据双方通信协议可定义为1、1.5和2位。

校验位：

为了预防错误的产生，使用校验位作为检查的机制，分为奇校验和偶校验。以偶校验为例：ASCII码A二进制表示为01000001，其中1的数量为偶数，因此校验位便为0，使1的数目保持为偶数。

2．5、通信速率的计算

信息帧格式：

起止式异步通信的特点是：一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以“起始位”开始，以“停止位”结束,字符之间没有固定的时间间隔要求。每一个字符的前面都有一位起始位（低电平，逻辑值），字符本身由5-7位数据位组成，接着字符后面是一位校验位（也可以没有校验位），最后是一位或一位半或二位停止位，停止位后面是不定长的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平（逻辑值1），这样就保证起始位开始处一定有一个下跳沿。

从图中可看出，这种格式是靠起始位和停止位来实现字符的界定或同步的，故称为起止式协议。

异步通信的信息格式如下表所示：

起始位	逻辑0	1位
数据位	逻辑0或1	5位、6位、7位、8位
校验位	逻辑0或1	1位或无
停止位	逻辑1	1位1.5位或2位
空闲位	逻辑1	任意数量

通信速率：

例：传送8位数据45H（0100,0101），奇校验，1个停止位，若异步通信的速率为9600bps，每字符8位，1起始，1停止，无奇偶，则实际每字符传送10位，则速率为960字符/秒。

2．6异步通信的接收发送过程：

异步通信的接收过程：

（1）开始通信时，信号线为空闲（逻辑1）,当检测到由1到0的跳变时，开始对“接收时钟”计数。

（2）当计到8个时钟时，对输入信号进行检测，若仍为低电平，则确认这是“起始位”B，而不是干扰信号。

（3）接收端检测到起始位后，隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D0位数据。若为逻辑1, 作为数据位1；若为逻辑0，作为数据位0。

（4）再隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D1位数据。….，直到全部数据位都输入。

（5）检测校验位P（如果有的话）。

（6）接收到规定的数据位个数和校验位后,通信接口电路希望收到停止位S(逻辑1)，若此时未收到逻辑1，说明出现了错误，在状态寄存器中置“帧错误”标志。若没有错误，对全部数据位进行奇偶校验，无校验错时，把数据位从移位寄存器中送数据输入寄存器。若校验错，在状态寄存器中置奇偶错标志。

（7）本幀信息全部接收完，把线路上出现的高电平作为空闲位。

（8）当信号再次变为低时，开始进入下一幀的检测。

异步通信的发送过程：

发送端以“发送时钟”和“波特率因子”决定一位的时间长度。

（1）当初始化后，或者没有信息需要发送时，发送端输出逻辑1，即空闲位，空闲位可以有任意数量。

（2）当需要发送时，发送端首先输出逻辑0，作为起始位。

（3）接着，发送端首先发送D0位，直到各数据位发送完。

（4）如果需要的话，发送端输出校验位。

（5）最后，发送端输出停止位（逻辑1）。

（6）如果没有信息需要发送时，发送端输出逻辑1，即空闲位，空闲位可以有任意数量。如果还有信息需要发送，转入第（2）步。

对于以上发送、接收过程应注意以下几点：

（1）接收端总是在每个字符的头部（即起始位）进行一次重新定位，因此发送端可以在字符之间插入不等长的空闲位，不影响接收端的接收。

（2）发送端的发送时钟和接收端的接收时钟，其频率允许有一定差异，当频率差异在一定范围内，不会引起接收端检测错位，能够正确接收。并且这种频率差异不会因多个字符的连续接收而造成误差累计（因为每个字符的开始（起始位处）接收方均重新定位）。只有当发送时钟和接收时钟频率差异太大，引起接收端采样错位，才造成接收错误。

（3）起始位、校验位、停止位、空闲位的信号，由“发送移位寄存器”自动插入。在接收方，“接收移位寄存器”接收到一帧完整信息（起始、数据、校验、停止）后，仅把数据的各位送至“数据输入寄存器”，即CPU从“数据输入寄存器”中读得的信息，只是有效数字，不包含起始位、校验位、停止位信息。

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