串口通信的基本概念

問題: 我從那裏能夠學到串口通信的基本知識

解答: 串口通信的基本概念
1，什麼是串口？
2，什麼是RS-232？
3，什麼是RS-422？
4，什麼是RS-485？
5，什麼是握手？
1，什麼是串口？
串口是計算機上一種非常通用設備通信的協議（不要與通用串行總線Universal Serial Bus或者USB混淆）。大多數計算機包含兩個基於RS232的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協議；很多GPIB兼容的設備也帶有RS-232口。同時，串口通信協議也可以用於獲取遠程採集設備的數據。

串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發送和接收字節。儘管比按字節（byte）的並行通信慢，但是串口可以在使用一根線發送數據的同時用另一根線接收數據。它很簡單並且能夠實現遠距離通信。比如IEEE488定義並行通行狀態時，規定設備線總常不得超過20米，並且任意兩個設備間的長度不得超過2米；而對於串口而言，長度可達1200米。

典型地，串口用於ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發送，（3）接收。由於串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發送數據同時在另一根線上接收數據。其他線用於握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對於兩個進行通行的端口，這些參數必須匹配：
a，波特率：這是一個衡量通信速度的參數。它表示每秒鐘傳送的bit的個數。例如300波特表示每秒鐘發送300個bit。當我們提到時鐘週期時，我們就是指波特率例如如果協議需要4800波特率，那麼時鐘是4800Hz。這意味着串口通信在數據線上的採樣率爲4800Hz。通常電話線的波特率爲14400，28800和36600。波特率可以遠遠大於這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用於放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設備的通信。
b，數據位：這是衡量通信中實際數據位的參數。當計算機發送一個信息包，實際的數據不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設置取決於你想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0～127（7位）。擴展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數據使用簡單的文本（標準 ASCII碼），那麼每個數據包使用7位數據。每個包是指一個字節，包括開始/停止位，數據位和奇偶校驗位。由於實際數據位取決於通信協議的選取，術語“包”指任何通信的情況。
c，停止位：用於表示單個包的最後一位。典型的值爲1，1.5和2位。由於數據是在傳輸線上定時的，並且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，並且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用於停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。
d，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。對於偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數據位後面的一位），用一個值確保傳輸的數據有偶個或者奇個邏輯高位。例如，如果數據是011，那麼對於偶校驗，校驗位爲0，保證邏輯高的位數是偶數個。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據，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態，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據是否不同步。

2，什麼是RS-232？
RS-232（ANSI/EIA-232標準）是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標準。可用於許多用途，比如連接鼠標、打印機或者Modem，同時也可以接工業儀器儀表。用於驅動和連線的改進，實際應用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標準的值。RS-232只限於PC串口和設備間點對點的通信。RS-232串口通信最遠距離是50英尺。

DB-9針連接頭
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\ 1 2 3 4 5 /
\ 6 7 8 9 /
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從計算機連出的線的截面。
RS-232針腳的功能：

數據：
TXD（pin 3）：串口數據輸出
RXD（pin 2）：串口數據輸入

握手：
RTS（pin 7）：發送數據請求
CTS（pin 8）：清除發送
DSR（pin 6）：數據發送就緒
DCD（pin 1）：數據載波檢測
DTR（pin 4）：數據終端就緒

地線：
GND（pin 5）：地線

其他
RI（pin 9）：鈴聲指示

3，什麼是RS-422？
RS-422（EIA RS-422-A Standard）是Apple的Macintosh計算機的串口連接標準。RS-422使用差分信號，RS-232使用非平衡參考地的信號。差分傳輸使用兩根線發送和接收信號，對比RS-232，它能更好的抗噪聲和有更遠的傳輸距離。在工業環境中更好的抗噪性和更遠的傳輸距離是一個很大的優點。

4，什麼是RS-485？
RS-485（EIA-485標準）是RS-422的改進，因爲它增加了設備的個數，從10個增加到32個，同時定義了在最大設備個數情況下的電氣特性，以保證足夠的信號電壓。有了多個設備的能力，你可以使用一個單個RS-422口建立設備網絡。出色抗噪和多設備能力，在工業應用中建立連向PC機的分佈式設備網絡、其他數據收集控制器、HMI或者其他操作時，串行連接會選擇RS-485。RS-485是RS-422的超集，因此所有的RS-422設備可以被RS-485控制。RS-485可以用超過4000英尺的線進行串行通行。

DB-9 引腳連接

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\ 1 2 3 4 5 /
\ 6 7 8 9 /
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從計算機連出的線的截面。

RS-485和RS-422的引腳的功能
數據：TXD+（pin 8），TXD-（pin 9），RXD+（pin 4），RXD-（pin 5）
握手：RTS+（pin 3），RTS-（pin 7），CTS+（pin 2），CTS-（pin 6）
地線：GND （pin 1）

5，什麼是握手？
RS-232通行方式允許簡單連接三線：Tx、Rx和地線。但是對於數據傳輸，雙方必須對數據定時採用使用相同的波特率。儘管這種方法對於大多數應用已經足夠，但是對於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。

a，軟件握手：我們討論的第一種握手是軟件握手。通常用在實際數據是控制字符的情況，類似於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，因爲控制字符在傳輸線上和普通字符沒有區別，函數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送，使發送方暫停。
例如：假設發送方以高波特率發送數據。在傳輸中，接收方發現由於CPU忙於其他工作，輸入buffer已經滿了。爲了暫時停止傳輸，接收方發送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，它發送XON，典型的值是十進制17，即十六進制11，繼續通信。輸入buffer半滿時，LabWindows發送XOFF。此外，如果XOFF傳輸被打斷，LabWindows會在buffer達到75％和90％時發送XOFF。顯然，發送方必須遵循此守則以保證傳輸繼續。

b，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，一個作爲輸出，另一個作爲輸入。第一組線是RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）。當接收方準備好接收數據，它置高RTS線表示它準備好了，如果發送方也就緒，它置高CTS，表示它即將發送數據。另一組線是DTR（Data Terminal Ready）和DSR（Data Set Ready）。這些現主要用於Modem通信。使得串口和Modem通信他們的狀態。例如：當Modem已經準備好接收來自PC的數據，它置高DTR線，表示和電話線的連接已經建立。讀取DSR線置高，PC機開始發送數據。一個簡單的規則是DTR/DSR用於表示系統通信就緒，而RTS/CTS用於單個數據包的傳輸。

在LabWindows，函數SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。如果CTS模式使能，LabWindows使用如下規則：
當PC發送數據：
RS-232庫必須檢測CTS線高後才能發送數據。

當PC接收數據：
如果端口打開，且輸入隊列有空接收數據，庫函數置高RTS和DTR。
如果輸入隊列90％滿，庫函數置低RTS，但使DTR維持高電平。
如果端口隊列近乎空了，哭喊數置高RTS，但使DRT維持高電平。
如果端口關閉，庫函數置低RTS和DTR。

c，XModem握手：最後討論的握手叫做XModem文件傳輸協議。這個協議在Modem通信中非常通用。儘管它通常使用在Modem通信中，XModem協議能夠直接在其他遵循這個協議的設備通信中使用。在LabWindows中，實際的XModem應用對用戶隱藏了。只要PC和其他設備使用XModem協議，在文件傳輸中就使用LabWindows的XModem函數。函數是XModemConfig，XModemSend和XModemReceive。

XModem使用介於如下參數的協議：start_of_data、end_of_data、neg_ack、wait_delay、start_delay、max_tries、packet_size。這些參數需要通信雙方認定，標準的XModem有一個標準的定義：然而，可以通過XModemConfig函數修改，以滿足具體需要。這些參數的使用方法由接收方發送的字符neg_ack確定。這通知發送方其準備接收數據。它開始嘗試發送，有一個超時參數start_delay；當超時的嘗試超過max_ties次數，或者收到接收方發送的start_of_data，發送方停止嘗試。如果從發送方收到start_of_data，接收方將讀取後繼信息數據包。包中含有包的數目、包數目的補碼作爲錯誤校驗、packet_size字節大小的實際數據包，和進一步錯誤檢查的求和校驗值。在讀取數據後，接收方會調用wait_delay，然後想發送方發送響應。如果發送方沒有收到響應，它會重新發送數據包，直到收到響應或者超過重發次數的最大值max_tries。如果一直沒有收到響應，發送方通知用戶傳輸數據失敗。
由於數據必須以pack_size個字節按包發送，當最後一個數據包發送時，如果數據不夠放滿一個數據包，後面會填充ASCII碼NULL（0）字節。這導致接收的數據比原數據多。在XModem情況下一定不要使用XON/XOFF，因爲XModem發送方發出包的數目很可能增加到XON/OFF控制字符的值，從而導致通信故障。

相關鏈接:
KnowledgeBase 1M9D8H6Q: Serial Communication Starting Point
KnowledgeBase 3DRAGUOY: A Quick Comparison of RS-232, RS-422, and RS-485 Serial Communication Interfaces