串口通信简述以及RS232、RS485接口标准

一、串口通信基本原理与工作原理

1.串口通信概述

串口通信是指将数据按规定时序一个比特位接一个比特位地按序传输。串行通信使用较少通信线路就可以完成信息交换，特别适合计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。串口通信需要的线路成本低且较干扰能力强，是嵌入式系统中常用的通信方式。

串行通信根据数据的传输方向可分为单工通信、半双工通信和双工通信。
①单工通信：发送端和接收端是固定的，数据信号仅从发送端传送到接收端，数据流是单向的
②半双工通信：数据可以在两个方向上传送，通信双方既能接收数据也能发送数据，但是发送数据和接收数据不能同时进行
③双工通信：在同一时刻，数据可以进行双向传输，通信双方技能接收数据也能发送数据，并且可以同时进行

2.串口通信接线

3.串口通信协议

数据帧格式包括以下几个方面：‘
①起始位：无数据传输时（处于空闲状态），通信线上位逻辑1。当发送端要发送数据时，首先发送逻辑0（数据帧格式的起始位），作用是告诉接收端准备接收一帧数据。接收端检测到逻辑0以后，就准备接收数据。
②数据位：在起始位后，发送端发出数据位。数据位的位数没有严格限制，5~8位都可以。在发送过程中，数据位的低位在前、高位在后，由低位向高位逐位发送。
③校验位：校验位是可选的，它在数据位发送后发送。校验位用来校验数据在传送过程中是否出错，由收发双方预先约定好的差错检验方式确定，最常用的是奇校验与偶校验。其中奇校验表示数据位加上校验位中1的个数后是否保持奇数，偶校验表示数据位加上校验位中1的个数后是否保持偶数。
④停止位：数据帧的最后是停止位，逻辑1有效。停止位表示传送一帧数据的过程结束，同时也为发送下一帧数据做准备。停止位的占位有0.5、1、1.5或2位。

异步串口通信的传输速率通常用波特率(baud rate)表示。波特率是描述数据传输速率的指标，进行异步串口通信的收发双方必须具有相同的波特率。

二、异步串口通信接口标准

异步串口通信的具体实现有多种不同的电气特性和物理标准，常用的有RS232和RS485，下面分别予以介绍。

1.RS232串口

RS232是常用的串行通信接口标准之一，由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统公司、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家与1970年共同制定。该标准规定采用25脚的DB-25连接器，并且对连接器的每个引脚信号的内容和电平都做了规定。其中，规定逻辑1的电平位-15~ -3V，逻辑0的电平位+3~+15V，接近0的电平是无效的。
后来,IBM公司生产的PC将RS232简化成了9脚的DB-9连接器，并随着PC的流行而成为事实上的标准。DB-25与DB-9连接器对比如下图

DB25:

引脚	简写
Pin1	TXD
Pin3	RXD
Pin4	RTS
Pin5	CTS
Pin6	DSR
Pin7	GND
Pin8	DCD
Pin20	DTR
Pin22	RI

引脚	简写
Pin1	DCR
Pin2	RXD
Pin3	TXD
Pin4	DTR
Pin5	GND
Pin6	DSR
Pin7	RTS
Pin8	CTS
Pin9	RI

在工业控制项目中使用RS-232接口时，通常进一步简化为只使用RXD、TXD、GND三个信号来完成全双工通信，并对通信双方的RXD和TXD信号进行交叉连接，如图所示

芯片引脚常常是不能之间用作RS232通信，这是因为微控制器的引脚是兼容COMS和TTL电平的，所以需要将TXD和RXD对应引脚上的电平转换成RS232电平。这项工作由专门的RS232驱动芯片完成，如MAX3232或SP3232等。
RS232接口标准由于出现较早，因此在使用时存在以下不足：
（1）接口信号电平值较高，易损坏接口电路的驱动芯片
（2）传输速率较低，异步传输时最大传输速率为20kbit/s
（3）信号线采用共地的传输形式，容易产生共模干扰，所以抗干扰性能弱
（4）传输距离有限
（5）只允许两个节点，不具体多点通信能力
针对RS232的不足，一些新的串行接口标准应运而生，RS485就是其中应用较为广泛的一种。

2.RS485串口

RS485接口标准是哟差分信号进行数据传输，具有较强的抗干扰能力，支持多个节点和远距离通信，数据接收灵敏性也较高。RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器组合，因此具有抑制共模干扰的能力。同时，RS485总线收接发器具有较高的灵敏度，能检测低至200mV的电压，故信号传输距离可达上千米。RS485串行通信主要特点如下：
（1）当信号间的电压差为+2 ~ +6V时，表示逻辑1；当信号间的电压差为-6 ~ -2V时，表示逻辑0.由此可见RS485接口信号的电平比RS232低，因而不容易损坏接口电路的驱动芯片，且电平与TTL电平兼容。
（2）数据的最高传输速率为10Mbit/s。
（3）抗共模干扰能力强，抗噪声音性好。
（4）最大传输距离约1200m，通过继电器可达3000m左右。
（5）RS485采用半双工的通信方式，连接线采用总线型拓扑结构，允许在总线上连接多个收发器，具有多点通信能力。一般情况下允许32个节点，特制的RS485驱动芯片采用128或256个节点。

RS485有两线制和四线制两种接线方式。四线制只能实现点对点的通信方式，很少采用。采用两线制接线时，RS485是半双工的。两线制常用在主从通信方式中，此时一个主机将带有多个从机，如下图所示
与RS232类似，RS485也需要专用的驱动芯片（如MAX3485或SP3485等）来完成电平转换。