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详解串口通信232/485/422,一文搞定!

更新时间:2021-06-03 14:23:27 点击数:115801

一、RS232基础知识


计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低,特别是在远程传输时,避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 

在串行通讯时,要求通讯双方都采用一个标准接口,使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口(又称EIA RS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。

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,代表RS232的最新一次修改(1969),在这之前,有RS232B、RS232A。它是在1970 年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。



1、电气特性  

EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

在TxD和RxD上:逻辑1(MARK)=-3V~-15V ,逻辑0(SPACE)=+3~+15V  在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上:
信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V  
信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V  

根据设备供电电源的不同,+-5、+-10、+-12和+-15这样的电平都是可能的。

2、连接器的机械特性

由于RS-232C并未定义连接器的物理特性,因此,出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器,其引脚的定义也各不相同。最近,8管脚的RJ-45型连接器变得越来越普遍,尽管它的管脚分配相差很大。EIA/TIA 561标准规定了一种管脚分配的方法,但是由Dave Yost发明的被广泛使用在Unix计算机上的Yost串连设备配线标准 ("Yost Serial Device Wiring Standard")以及其他很多设备都没有采用上述任一种连线标准。下表中列出的是被较多使用的RS-232中的信号和管脚分配:




信号的标注是从DTE设备的角度出发的,TD、DTR和RTS信号是由DTE产生的,RD、DSR、CTS、DCD和RI信号是由DCE产生的。

PC 机的RS-232 口为9 芯针插座。一些设备与PC 机连接的RS-232 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TXD”、“接收数据RXD”和“信号地GND”。


双向接口能够只需要3根线制作是因为RS-232的所有信号都共享一个公共接地。非平衡电路使得RS-232非常的容易受两设备间基点电压偏移的影响。对于信号的上升期和下降期,RS-232也只有相对较差的控制能力,很容易发生串话的问题。RS-232被推荐在短距离(15m以内)间通信。由于非对称电路的关系,RS-232接口电缆通常不是由双绞线制作的。

3、传输电缆

RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特,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。

由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下,传输电缆长度应为50 英尺,其实这个4%的码元畸变是很保守的,在实际应用中,约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的,所以实际使用中最大距离会远超过50英尺,美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出下面实验结果。其中1 号电缆为屏蔽电缆,型号为DECP.NO.9107723 内有三对双绞线,每对由22# AWG 组成,其外覆以屏蔽网。2 号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG 的四芯电缆。



4、链路层
在RS-232标准中,字符是以一系列位元来一个接一个的传输。最长用的编码格式是异步起停asynchronous start-stop格式,它使用一个起始位后面紧跟7或8 个数据比特,这个可能是奇偶位,然后是两个停止位。所以发送一个字符需要10比特,带来的一个好的效果是使全部的传输速率,发送信号的速率以10分划。

串行通信在软件设置里需要做多项设置,最常见的设置包括波特率、奇偶校验和停止位。波特率是指从一设备发到另一设备的波特率,即每秒钟多少比特bits per second (bit/s)。典型的波特率是300、1200、2400、9600、19200等bit/s。一般通信两端设备都要设为相同的波特率,但有些设备也可以设置为自动检测波特率。

奇偶校验Parity是用来验证数据的正确性。奇偶校验一般不用,如果使用,那么既可以做奇校验也可以做偶校验。奇偶校验是通过修改每一发送字节(也可以限制发送的字节)来工作的。如果不作奇偶校验,那么数据是不会被改变的。在偶校验中,因为奇偶校验位会被相应的置1或0(一般是最高位或最低位),所以数据会被改变以使得所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中“1”的个数为偶数;在奇校验中,所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中“1”的个数为奇数。奇偶校验可以用于接受方检查传输是否发送生错误——如果某一字节中“1”的个数发生了错误,那么这个字节在传输中一定有错误发生。如果奇偶校验是正确的,那么要么没有发生错误要么发生了偶数个的错误。




停止位是在每个字节传输之后发送的,它用来帮助接受信号方硬件重同步。

在串行通信软件设置中D/P/S是常规的符号表示。8/N/1(非常普遍)表明8bit数据,没有奇偶校验,1bit停止位。数据位可以设置为7、8或者9,奇偶校验位可以设置为无(N)、奇(O)或者偶(E),奇偶校验位可以使用数据中的比特位,所以8/E/1就表示一共8位数据位,其中一位用来做奇偶校验位。停止位可以是1、1.5或者2位的(1.5是用在波特率为60wpm的电传打字机上的)。

 5、传输控制 
当需要发送握手信号或数据完整性检测时需要制定其他设置。公用的组合有RTS/CTS,DTR/DSR或者XON/XOFF(实际中不使用连接器管脚而在数据流内插入特殊字符)。

接受方把XON/XOFF信号发给发送方来控制发送方何时发送数据,这些信号是与发送数据的传输方向相反的。XON信号告诉发送方接受方准备好接受更多的数据,XOFF信号告诉发送方停止发送数据直到知道接受方再次准备好。XON/XOFF一般不赞成使用,推荐用RTS/CTS控制流来代替它们。

XON/XOFF是一种工作在终端间的带内方法,但是必须两端都支持这个协议,而且在突然启动的时候会有混淆的可能。

XON/XOFF可以工作于3线的接口。RTS/CTS最初是设计为电传打字机和调制解调器半双工协作通信的,每次它只能一方调制解调器发送数据。终端必须发送请求发送信号然后等到调制解调器回应清除发送信号。尽管RTS/CTS是通过硬件达到握手,但它有自己的优势。

6、RS-232标准的不足 
经过许多年来RS-232 器件以及通信技术的改进,RS-232 的通信距离已经大大增加。由于RS-232 接口标准出现较早,难免有不足之处,主要有以下四点:

(1) 接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL 电路连接。

(2) 传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。现在由于采用新的UART 芯片16C550 等,波特率达到115.2Kbps。

(3) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式, 这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。

(4) 传输距离有限,最大传输距离标准值为50 米,实际上也只能用在15米左右。



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二、RS485基础知识


针对RS-232串口标准的局限性,人们又提出了RS-422,RS-485接口标准。RS-485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信:发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出,经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于传输线通常使用双绞线,又是差分传输,所以又极强的抗共模干扰的能力,总线收发器灵敏度很高,可以检测到低至200mV电压。UPS不间断电源工作原理
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