串口通信的基本知識

串口通信的基本知識 串口通信的基本概念 1 什么是串口 2 什么是 RS 232 3 什么是 RS 422 4 什么是 RS 485 5 什么是握手 1 什么是串口 串口是計算機上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議 不要與通用串行總線 Universal Serial Bus 或者 USB 混淆 大多數(shù)計算機包含兩個基于 RS232 的串口 串口 同時也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議 很多 GPIB 兼容的設(shè)備也帶有 RS 232 口 同時 串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設(shè)備的數(shù)據(jù) 串口通信的概念非常簡單 串口按位 bit 發(fā)送和接收字節(jié) 盡管比按字節(jié) byte 的并行通信慢 但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接 收數(shù)據(jù) 它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信 比如 IEEE488 定義并行通行狀態(tài)時 規(guī)定設(shè)備線總常不得超過 20 米 并且任意兩個設(shè)備間的長度不得超過 2 米 而對于串口而言 長度可達 1200 米 典型地 串口用于 ASCII 碼字符的傳輸 通信使用 3 根線完成 1 地線 2 發(fā)送 3 接收 由于串口通信是異步的 端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同 時在另一根線上接收數(shù)據(jù) 其他線用于握手 但是不是必須的 串口通信最重要的參數(shù)是波特率 數(shù)據(jù)位 停止位和奇偶校驗 對于兩個進行通行的端口 這 些參數(shù)必須匹配 a 波特率 這是一個衡量通信速度的參數(shù) 它表示每秒鐘傳送的 bit 的個數(shù) 例如 300 波特表示每秒鐘發(fā)送 300 個 bit 當(dāng)我們提到時鐘周期時 我們就是指 波特率例如如果協(xié)議需要 4800 波特率 那么時鐘是 4800Hz 這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為 4800Hz 通常電話線的波特率為 14400 28800 和 36600 波特率可以遠遠大于這些值 但是波特率和距離成反比 高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信 典型的例子就是 GPIB 設(shè)備的通信 b 數(shù)據(jù)位 這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù) 當(dāng)計算機發(fā)送一個信息包 實際的數(shù)據(jù)不會是 8 位的 標(biāo)準(zhǔn)的值是 5 7 和 8 位 如何設(shè)置取決于你想傳送 的信息 比如 標(biāo)準(zhǔn)的 ASCII 碼是 0 127 7 位 擴展的 ASCII 碼是 0 255 8 位 如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本 標(biāo)準(zhǔn) ASCII 碼 那么每個數(shù)據(jù)包使用 7 位數(shù)據(jù) 每個包是指一個字節(jié) 包括開始 停止位 數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位 由于實際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取 術(shù)語 包 指任何通信的情況 c 停止位 用于表示單個包的最后一位 典型的值為 1 1 5 和 2 位 由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的 并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘 很可能在通信中兩臺 設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步 因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束 并且提供計算機校正時鐘同步的機會 適用于停止位的位數(shù)越多 不同時鐘同步的容忍程 度越大 但是數(shù)據(jù)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(dāng)然沒有校驗位也是可以的 對于偶和奇校驗的情況 串口會設(shè)置 校驗位 數(shù)據(jù)位后面的一位 用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位 例如 如果數(shù)據(jù)是 011 那么對于偶校驗 校驗位為 0 保證邏輯高的位 數(shù)是偶數(shù)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(shù)據(jù) 簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗 這樣使得接收設(shè)備能夠 知道一個位的狀態(tài) 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(shù)據(jù)是否不同步 2 什么是 RS 232 RS 232 ANSI EIA 232 標(biāo)準(zhǔn) 是 IBM PC 及其兼容機上的串行連接標(biāo)準(zhǔn) 可用于許多用途 比如連接鼠標(biāo) 打印機或者 Modem 同時也可以接工業(yè)儀器儀 表 用于驅(qū)動和連線的改進 實際應(yīng)用中 RS 232 的傳輸長度或者速度常常超過標(biāo)準(zhǔn)的值 RS 232 只限于 PC 串口和設(shè)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 從計算機連出的線的截面 RS 232 針腳的功能 數(shù)據(jù) TXD pin 3 串口數(shù)據(jù)輸出 RXD pin 2 串口數(shù)據(jù)輸入 握手 RTS pin 7 發(fā)送數(shù)據(jù)請求 CTS pin 8 清除發(fā)送 DSR pin 6 數(shù)據(jù)發(fā)送就緒 DCD pin 1 數(shù)據(jù)載波檢測 DTR pin 4 數(shù)據(jù)終端就緒 地線 GND pin 5 地線 其他 RI pin 9 鈴聲指示 3 什么是 RS 422 RS 422 EIA RS 422 A Standard 是 Apple 的 Macintosh 計算機的串口連接標(biāo)準(zhǔn) 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(fā)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(yè)環(huán)境中更好的抗噪性和更遠的傳輸距離是一個很大的優(yōu)點 4 什么是 RS 485 RS 485 EIA 485 標(biāo)準(zhǔn) 是 RS 422 的改進 因為它增加了設(shè)備的個數(shù) 從 10 個增加到 32 個 同時定義了在最大設(shè)備個數(shù)情況下的電氣特性 以保證足夠 的信號電壓 有了多個設(shè)備的能力 你可以使用一個單個 RS 422 口建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò) 出色抗噪和多設(shè)備能力 在工業(yè)應(yīng)用中建立連向 PC 機的分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò) 其他數(shù)據(jù)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(shè)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 從計算機連出的線的截面 RS 485 和 RS 422 的引腳的功能 數(shù)據(jù) 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 什么是握手 RS 232 通行方式允許簡單連接三線 Tx Rx 和地線 但是對于數(shù)據(jù)傳輸 雙方必須對數(shù)據(jù)定時采用使用相同的波特率 盡管這種方法對于大多數(shù)應(yīng)用已經(jīng) 足夠 但是對于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(shù)據(jù)是控制字符的情況 類似于 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 因為控制字符在傳輸線上和普通字符沒有區(qū)別 函數(shù) 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(fā)送 使發(fā)送方暫停 例如 假設(shè)發(fā)送方以高波特率發(fā)送數(shù)據(jù) 在傳輸中 接收方發(fā)現(xiàn)由于 CPU 忙于其他工作 輸入 buffer 已經(jīng)滿了 為了暫時停止傳輸 接收方發(fā)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(zhǔn)備好接收 它發(fā)送 XON 典型的值是十進制 17 即十六進制 11 繼續(xù)通信 輸入 buffer 半滿時 LabWindows 發(fā)送 XOFF 此外 如果 XOFF 傳輸被打斷 LabWindows 會在 buffer 達到 75 和 90 時發(fā)送 XOFF 顯然 發(fā)送方必須遵循 此守則以保證傳輸繼續(xù) 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 一個作為輸出 另一個作為輸入 第一組線是 RTS Request to Send 和 CTS Clear to Send 當(dāng)接收方準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù) 它置高 RTS 線表示它準(zhǔn)備好了 如果發(fā)送方也就緒 它置高 CTS 表示它即將發(fā) 送數(shù)據(jù) 另一組線是 DTR Data Terminal Ready 和 DSR Data Set Ready 這些現(xiàn)主要用于 Modem 通信 使得串口和 Modem 通信他們的狀態(tài) 例如 當(dāng) Modem 已經(jīng)準(zhǔn)備好接收來自 PC 的數(shù)據(jù) 它置高 DTR 線 表示和電話線的連接已經(jīng)建立 讀取 DSR 線置高 PC 機開始發(fā)送數(shù)據(jù) 一個簡單的規(guī)則是 DTR DSR 用于表示系統(tǒng)通信就緒 而 RTS CTS 用于單個數(shù)據(jù)包的傳輸 在 LabWindows 函數(shù) 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(guī)則 當(dāng) PC 發(fā)送數(shù)據(jù) RS 232 庫必須檢測 CTS 線高后才能發(fā)送數(shù)據(jù) 當(dāng) PC 接收數(shù)據(jù) 如果端口打開 且輸入隊列有空接收數(shù)據(jù) 庫函數(shù)置高 RTS 和 DTR 如果輸入隊列 90 滿 庫函數(shù)置低 RTS 但使 DTR 維持高電平 如果端口隊列近乎空了 哭喊數(shù)置高 RTS 但使 DRT 維持高電平 如果端口關(guān)閉 庫函數(shù)置低 RTS 和 DTR c XModem 握手 最后討論的握手叫做 XModem 文件傳輸協(xié)議 這個協(xié)議在 Modem 通信中非常通用 盡管它通常使用在 Modem 通信中 XModem 協(xié)議 能夠直接在其他遵循這個協(xié)議的設(shè)備通信中使用 在 LabWindows 中 實際的 XModem 應(yīng)用對用戶隱藏了 只要 PC 和其他設(shè)備使用 XModem 協(xié)議 在文 件傳輸中就使用 LabWindows 的 XModem 函數(shù) 函數(shù)是 XModemConfig XModemSend 和 XModemReceive XModem 使用介于如下參數(shù)的協(xié)議 start of data end of data neg ack wait delay start delay max tries packet size 這些參數(shù)需要通信雙方認(rèn) 定 標(biāo)準(zhǔn)的 XModem 有一個標(biāo)準(zhǔn)的定義 然而 可以通過 XModemConfig 函數(shù)修改 以滿足具體需要 這些參數(shù)的使用方法由接收方發(fā)送的字符 neg ack 確定 這通知發(fā)送方其準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù) 它開始嘗試發(fā)送 有一個超時參數(shù) start delay 當(dāng)超時的嘗試超過 max ties 次數(shù) 或者收到接收方發(fā)送的 start of data 發(fā)送方停止嘗試 如果從發(fā)送方收到 start of data 接收方將讀取后繼信息數(shù)據(jù)包 包中含有包的數(shù)目 包數(shù)目的補碼作為錯誤校驗 packet size 字節(jié)大小的實際數(shù)據(jù)包 和進一步錯誤檢查的求和校驗值 在讀取數(shù)據(jù)后 接收方會調(diào)用 wait delay 然后想發(fā)送方發(fā)送響應(yīng) 如果發(fā)送方?jīng)]有 收到響應(yīng) 它會