串口通信基础

串口通信是非常重要的，首先了解下基础

计算机串口通信基础

• 随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能越越显得重要。计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。
• 通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代化测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。
• 计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。可以分为两大类：并行通信与串行通信。
• 并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送。（如下图）

由上图可知一下可以传8位，跟并行的A/D  D/A 差不多，询问和应答  是发送 和接受  来询问是否准备好了没有。

• 并行通信控制简单，传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接受存在困难。
• 串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。（如下图）

 

注意：先发的是低位

• 串行通信的特点：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，丹数据的传送控制比并行通信复杂。
• 串行通信的基本概念

一、异步通信与同步通信

1、异步通信

 异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。

异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有位间隔的整数倍的关系，但同一个字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。

 异步通信的数据格式：

{先发起始位：低电平 表示起始位   再发数据位 LSB 是低端 (LSB: Least Significant Bit）最低有效位，先发低位数据共7位数据    + 1位校验位数据 （判断发送是否正确，如果不要校验位那么8位都是数据位）    最后发一个停止位（高电平结束就是一个位宽的高电平表示停止位）  共10位   一帧 。}

异步通讯的特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2~3位用于起始位，各帧之间有间隔，因此传输效率不高。

2、同步通信

同步通信时要建立发送方时钟对接受方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接受方的同步可以通过两种方法实现。

面向字符的同步格式：

此时，传送的数据和控制信息都必须由规定的字符集（如ASCII码）中的字符所组成。图中帧头为1个或2个同步字符SYN（ASCII码为16H），SOH为序始字符（ASCII码为01H），表示标题的开始，标题中包含源地址，目标地址和路由指示等信息。STX为文始字符（ASCII码为02H），表示传送的数据块开始。数据块是传送正文内容，由多个字符组成。数据块后面是组终字符ETB（ASCII码为17H）或文终字符ETX（ASCII码为03H）。然后是校验码。典型的面向字符的同步规程如IBM的二进制同步规程BSC。

面向位的同步格式：

      此时，将数据块看做数据流，并用序列01111110作为开始和结束标志。为了避免在数据流中出现序列01111110时引起的混乱，发送方总是在其发送的数据流中没出现5个连续的1就插入一个附加的0；接收方则每检测到5个连续的1并且其后有一个0时，就删除该0.

      典型的面向位的同步协议如ISO的高级数据链路控制规程HDLC和IBM的同步数据链路控制规程SDLC.

      同步通信的特点：：是以特定的位组合“01111110”作为帧的开始和结束标志，所传输的一帧数据可以是任意位。所以传输效率高，但实现的硬件设备比异步通信发杂。（同步通信可以作为了解我这里只是想表达下我的理解，其实现实中我们用的大多数是异步通信）。

二、串行通信的传输方向

1、单工

单工是指数据传输仅能沿着一个方向，不能实现反向传输。

2、半双工

半双工是指数据传输可以沿两个方向，不能实现反向传输。

3、全双工

全双工是指数据可以同时进行双向传输。

 

 

三、信号的调制与解调

利用调制器（MODULATOR）把数字信号转换成模拟信号，然后送到通信线路上去，再由解调器（Demodulator)把从通信线路上收到的模拟信号转换成数字信号。由于通信是双向的，调制器和解调器合并在一个装置中，这就是调制解调器MODEM。

从上图可以看出早期的计算机网络通信就是利用串口RS-232C(是计算机串口电平)经过MODEM 实现双向通信的，当然传输速率相当低。

四、串行通信的错误校验

1、奇偶校验

在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数；偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。接受字符时，对“1”的个数进行校验，若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。（注意：为了简单等会我写的程序不加校验了）。

2、代码和校验

代码和校验是发送方将所发数据块求和（或各字节异或），产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。接受方接受数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或个字节异或），将所得结果与发送方的“校验和”进行比较，相符则无差错，否则即认为传送过程中出现了差错。

 3、循环冗余校验

这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用于对磁盘信息的传输，存储区的完整性校验等。这种校验方法纠错能力强，广泛应用与同步通信中。（异步很少用，应用于同步通信，作为了解，在读研究生时候学信息论能学到，这里我也就是一知半解，嘿嘿毕竟哥没读过研究生）。

五、传输速率与传输距离

1、传输速率

比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位/秒（bps）.如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位（1起始位，1停止位，8个数据位），这时的比特率为：

                                                    10*240个/秒=2400 bps

2、传输距离与传输速率的关系

    串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关。当传输线使用每0.3m（约1英尺）有50PF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而减小，当比特率超过1000BPS,最大传输距离迅速下降，如9600bps时最大距离下降到只有76m（约250英尺）。

串行通信接口标准

一、RS-232C接口

      RS232C是EIA（美国电子工业协会）1969年修订RS-232C标准。RS-232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。

1、机械特性

RS-232C接口规定使用25针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义。（阳头）

以前是25针的这个可不是电脑的并行口内部是不一样的，因为电脑的并行口里面是有一组数据线，有询问应答等 ，  现在都用9针的了（右边）。记住里面有针的是公头，另外一个带孔的是母头。现在外面卖的的串口线内部是已经对调好的了就是发送接收是对调的，这样我们直接使用就可以了。

上图是25针的串口对应现在9针的管脚定义。RTS     DSR在连接MODEM 需接上   一般我们只是接2/3/5 脚就行了。

4、过程特性

     过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正确地接收和发送数据

5、RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路

现在我们已经集合了，就用MAX232直接能够实现TTL  ->RS232  及 RS-232  ->TTL 都有了。

6、采用RS-232C接口存在的问题

1、传输距离短，传输速率低

     RS-232C总线标准受电容允许值的约束，使用时传输距离一般不要超过15米（线路条件好时也不能超过几十米）。最高传送速率为20Kbps.

 2、有电平偏移

     RS-232C总线标准要求收发双方共地。通信距离较大时，收发双方的地电平差别较大，在信号地上将有较大的地电流并产生压降。

3、抗干扰能力差

    RS-232C在电平转换时采用单端输入输出，在传输过程中当干扰和噪声混在正常信号中。为了提高信噪比，RS-232C总线标准不得不采用比较大的电压摆幅。 

二、RS-422A接口（为了改进 RS-232C  就是在RS232C 输出后再进行改进）

      RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑“1”状态，另一条线就为逻辑“0”，比采用单端不平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨200mV以上电位差。若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地线干扰和电磁干扰的影响。RS-422A传输速率（90Kbps）时，传输距离可达1200米。（作为了解下）

三、RS-485接口

      RS-485是RS-422A的变型：RS-422A用于全双工，而RS-485则用于半双工。RS-485是一种多发送器标准，在通信线路上最多可以使用32 对差分驱动器/接收器。如果在一个网络中连接的设备超过32个，还可以使用中继器。
     RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑1和逻辑0。由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输线。传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它的阻抗低，无接地问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达1Mbps。
 

 

    RS-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞线的结构。普通的PC机一般不带RS485接口，因此要使用RS-232C/RS-485转换器。对于单片机可以通过芯片MAX485来完成TTL/RS-485的电平转换。在计算机和单片机组成的RS-485通信系统中，下位机由单片机系统组成，上位机为普通的PC机，负责监视下位机的运行状态，并对其状态信息进行集中处理，以图文方式显示下位机的工作状态以及工业现场被控设备的工作状况。系统中各节点（包括上位机）的识别是通过设置不同的站地址来实现的。