RS232串口通信基礎(chǔ)知識(shí)
- 2019-06-14 14:50:00
- 諾塔斯智能科技 原創(chuàng)
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在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。RS-232-C接口（又稱EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。
RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)，代表RS232的最新一次修改（1969），在這之前，有RS232B、RS232A。它是在1970 年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。
1、電氣特性
EIA-RS-232C對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。
在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V ，邏輯0(SPACE)=+3～＋15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：
信號(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V
信號(hào)無(wú)效（斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)=-3V～-15V
根據(jù)設(shè)備供電電源的不同，+-5、+-10、+-12和+-15這樣的電平都是可能的。
2、連接器的機(jī)械特性
由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。最近，8管腳的RJ-45型連接器變得越來(lái)越普遍，盡管它的管腳分配相差很大。EIA/TIA 561標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種管腳分配的方法，但是由Dave Yost發(fā)明的被廣泛使用在Unix計(jì)算機(jī)上的Yost串連設(shè)備配線標(biāo)準(zhǔn) （"Yost Serial Device Wiring Standard"）以及其他很多設(shè)備都沒(méi)有采用上述任一種連線標(biāo)準(zhǔn)。下表中列出的是被較多使用的RS-232中的信號(hào)和管腳分配：
信號(hào)的標(biāo)注是從DTE設(shè)備的角度出發(fā)的，TD、DTR和RTS信號(hào)是由DTE產(chǎn)生的，RD、DSR、CTS、DCD和RI信號(hào)是由DCE產(chǎn)生的。
PC 機(jī)的RS-232 口為9 芯針插座。一些設(shè)備與PC 機(jī)連接的RS-232 接口,因?yàn)椴皇褂脤?duì)方的傳送控制信號(hào),只需三條接口線,即“發(fā)送數(shù)據(jù)TXD”、“接收數(shù)據(jù)RXD”和“信號(hào)地GND”。
雙向接口能夠只需要3根線制作是因?yàn)镽S-232的所有信號(hào)都共享一個(gè)公共接地。非平衡電路使得RS-232非常的容易受兩設(shè)備間基點(diǎn)電壓偏移的影響。對(duì)于信號(hào)的上升期和下降期，RS-232也只有相對(duì)較差的控制能力，很容易發(fā)生串話的問(wèn)題。RS-232被推薦在短距離（15m以內(nèi)）間通信。由于非對(duì)稱電路的關(guān)系，RS-232接口電纜通常不是由雙絞線制作的。
3、傳輸電纜
RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制。
例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，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(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn)題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。
由RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長(zhǎng)度應(yīng)為50 英尺，其實(shí)這個(gè)4%的碼元畸變是很保守的，在實(shí)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(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)50英尺，美國(guó)DEC公司曾規(guī)定允許碼元畸變?yōu)?0%而得出下面實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中1 號(hào)電纜為屏蔽電纜，型號(hào)為DECP.NO.9107723 內(nèi)有三對(duì)雙絞線，每對(duì)由22# AWG 組成，其外覆以屏蔽網(wǎng)。2 號(hào)電纜為不帶屏蔽的電纜。型號(hào)為DECP.NO.9105856-04是22#AWG 的四芯電纜。
4、鏈路層
在RS-232標(biāo)準(zhǔn)中，字符是以一系列位元來(lái)一個(gè)接一個(gè)的傳輸。最長(zhǎng)用的編碼格式是異步起停asynchronous start-stop格式，它使用一個(gè)起始位后面緊跟7或8 個(gè)數(shù)據(jù)比特，這個(gè)可能是奇偶位，然后是兩個(gè)停止位。所以發(fā)送一個(gè)字符需要10比特，帶來(lái)的一個(gè)好的效果是使全部的傳輸速率，發(fā)送信號(hào)的速率以10分劃。
串行通信在軟件設(shè)置里需要做多項(xiàng)設(shè)置，最常見(jiàn)的設(shè)置包括波特率、奇偶校驗(yàn)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bits per second (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(dòng)檢測(cè)波特率。
奇偶校驗(yàn)Parity是用來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。奇偶校驗(yàn)一般不用，如果使用，那么既可以做奇校驗(yàn)也可以做偶校驗(yàn)。奇偶校驗(yàn)是通過(guò)修改每一發(fā)送字節(jié)（也可以限制發(fā)送的字節(jié)）來(lái)工作的。如果不作奇偶校驗(yàn)，那么數(shù)據(jù)是不會(huì)被改變的。在偶校驗(yàn)中，因?yàn)槠媾夹ｒ?yàn)位會(huì)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(huì)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(yàn)位）中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)；在奇校驗(yàn)中，所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗(yàn)位）中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)。奇偶校驗(yàn)可以用于接受方檢查傳輸是否發(fā)送生錯(cuò)誤——如果某一字節(jié)中“1”的個(gè)數(shù)發(fā)生了錯(cuò)誤，那么這個(gè)字節(jié)在傳輸中一定有錯(cuò)誤發(fā)生。如果奇偶校驗(yàn)是正確的，那么要么沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤要么發(fā)生了偶數(shù)個(gè)的錯(cuò)誤。
停止位是在每個(gè)字節(jié)傳輸之后發(fā)送的，它用來(lái)幫助接受信號(hào)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(hào)表示。8/N/1（非常普遍）表明8bit數(shù)據(jù)，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)，1bit停止位。數(shù)據(jù)位可以設(shè)置為7、8或者9，奇偶校驗(yàn)位可以設(shè)置為無(wú)（N）、奇（O）或者偶（E），奇偶校驗(yàn)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(lái)做奇偶校驗(yàn)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(jī)上的）。
5、傳輸控制
當(dāng)需要發(fā)送握手信號(hào)或數(shù)據(jù)完整性檢測(cè)時(shí)需要制定其他設(shè)置。公用的組合有RTS/CTS，DTR/DSR或者XON/XOFF（實(shí)際中不使用連接器管腳而在數(shù)據(jù)流內(nèi)插入特殊字符）。
接受方把XON/XOFF信號(hào)發(fā)給發(fā)送方來(lái)控制發(fā)送方何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，這些信號(hào)是與發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸方向相反的。XON信號(hào)告訴發(fā)送方接受方準(zhǔn)備好接受更多的數(shù)據(jù)，XOFF信號(hào)告訴發(fā)送方停止發(fā)送數(shù)據(jù)直到知道接受方再次準(zhǔn)備好。XON/XOFF一般不贊成使用，推薦用RTS/CTS控制流來(lái)代替它們。
XON/XOFF是一種工作在終端間的帶內(nèi)方法，但是必須兩端都支持這個(gè)協(xié)議，而且在突然啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)有混淆的可能。
XON/XOFF可以工作于3線的接口。RTS/CTS最初是設(shè)計(jì)為電傳打字機(jī)和調(diào)制解調(diào)器半雙工協(xié)作通信的，每次它只能一方調(diào)制解調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。終端必須發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)然后等到調(diào)制解調(diào)器回應(yīng)清除發(fā)送信號(hào)。盡管RTS/CTS是通過(guò)硬件達(dá)到握手，但它有自己的優(yōu)勢(shì)。
6、RS-232標(biāo)準(zhǔn)的不足
經(jīng)過(guò)許多年來(lái)RS-232 器件以及通信技術(shù)的改進(jìn)，RS-232 的通信距離已經(jīng)大大增加。由于RS-232 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)：
（1） 接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL 電路連接。
（2） 傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps。現(xiàn)在由于采用新的UART 芯片16C550 等，波特率達(dá)到115.2Kbps。
（3） 接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)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。
（4） 傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50 米，實(shí)際上也只能用在15米左右。
以上是關(guān)于RS232串口通信基礎(chǔ)知識(shí)，可以幫助你更好的了解RS232串口通信方式，更加深刻的了解RS232串口通信的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)它的優(yōu)缺點(diǎn)。
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