串口通信原理

1、rs232串口通信原理串口是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于RS232的串口。串口同時(shí)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(shí)，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)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(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長度不

2、得超過2米；而對于串口而言，長度可達(dá)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(shí)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(yàn)。對于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配： a，波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個(gè)bit。當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時(shí)鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4

3、800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)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0127（7位）。擴(kuò)展的ASCII碼是0255（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(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包

4、”指任何通信的情況。 c，停止位：用于表示單個(gè)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(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)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(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。 d，奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒有校驗(yàn)位也是可以的。對于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)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(yàn)，校驗(yàn)位為0

5、，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位1，這樣就有3個(gè)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(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)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.RS485串口通信電路圖 二.VxWorks中基于RS485總線的串口通信協(xié)議及實(shí)現(xiàn)摘要：本文介紹了在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks下串行設(shè)備的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于RS-485總線的新型串口通信協(xié)議，重點(diǎn)討論了基于這種協(xié)議的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，發(fā)送時(shí)主要采用了總線仲裁機(jī)制，接收時(shí)主要采用了字符合法性校驗(yàn)、長度校驗(yàn)、內(nèi)容的CRC校驗(yàn)，提高了系統(tǒng)的通信效

6、率和穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞：VxWorks；RS-485；通信協(xié)議；總線仲裁；CRC校驗(yàn) RS-485總線RS-485總線接口是一種常用的串口，具有網(wǎng)絡(luò)連接方便、抗干擾性能好、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上收發(fā)器具有高的靈敏度，能檢測到低達(dá)200mv的電壓，可靠通信的傳輸距離可達(dá)數(shù)千米。使用RS-485總線組網(wǎng)，只需一對雙絞線就可實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)、設(shè)備簡單、價(jià)格低廉、通信距離長。VxWorks中串口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)VxWorks 操作系統(tǒng)是美國Wind River公司設(shè)計(jì)開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，是嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組

7、成部分。Vxworks 操作系統(tǒng)的I/O 系統(tǒng)可以提供簡單、統(tǒng)一、與任何設(shè)備無關(guān)的接口。這些設(shè)備包括：面向字符設(shè)備、隨機(jī)塊存儲(chǔ)設(shè)備、虛擬設(shè)備、控制和監(jiān)視設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。Vxworks 的I/O 系統(tǒng)包括基本I/O 系統(tǒng)和緩沖I/O 系統(tǒng)，具有比其他I/O 系統(tǒng)更快速，兼容性更好的特性。這對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)是很重要的。 串口驅(qū)動(dòng)架構(gòu)基于vxWorks的串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)，對vxWorks的虛擬設(shè)備ttyDrv進(jìn)行封裝，向上將TTY設(shè)備安裝到標(biāo)準(zhǔn)的I/O系統(tǒng)中，上層應(yīng)用通過標(biāo)準(zhǔn)的I/O 接口完成對硬件設(shè)備的操作，向下提供對實(shí)際硬件設(shè)備的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。其軟件架構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)

8、由兩部分組成，一部分為對ttyDrv進(jìn)行封裝，將串行設(shè)備安裝到標(biāo)準(zhǔn)的I/O系統(tǒng)中，提供對外的接口；另一部分為串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，提供對硬件設(shè)備的基本操作。虛擬設(shè)備ttyDrv管理著I/O系統(tǒng)和真實(shí)驅(qū)動(dòng)程序之間的通信。在I/O系統(tǒng)方面，虛擬設(shè)備ttyDrv作為一個(gè)字符型設(shè)備存在，它將自身的入口點(diǎn)函數(shù)掛在I/O系統(tǒng)上，創(chuàng)建設(shè)備描述符并將其加入到設(shè)備列表中。當(dāng)用戶有I/O請求包到達(dá)I/O系統(tǒng)中時(shí)，I/O系統(tǒng)會(huì)調(diào)用ttyDrv相應(yīng)的函數(shù)響應(yīng)請求。同時(shí)，ttyDrv管理了緩沖區(qū)的互斥和任務(wù)的同步操作。另一方面，ttyDrv負(fù)責(zé)與實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序交換信息。通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的回調(diào)函數(shù)及必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，t

9、tyDrv將系統(tǒng)的I/O請求作相應(yīng)的處理后，傳遞給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成實(shí)際的I/O操作。驅(qū)動(dòng)初始化串口設(shè)備的初始化xxDevInit流程如圖2。設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化過程首先調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)ttyDrv()，該函數(shù)通過調(diào)用iosDrvInstall()將ttyOpen()、ttyIoctl()、tyRead()、tyRead、tyWrite安裝到系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)表中，供I/O系統(tǒng)調(diào)用。接著根據(jù)用戶入?yún)Υ谛酒拇嫫鬟M(jìn)行初始化，安裝驅(qū)動(dòng)函數(shù)指針。最后調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)ttyDevCreate()創(chuàng)建ttyDrv設(shè)備。該函數(shù)初始化設(shè)備描述符，調(diào)用tyDevInit()函數(shù)初始化tyLib、初始化sele

10、ct功能、創(chuàng)建信號(hào)量和輸入輸出緩沖區(qū)，調(diào)用iosDevAdd()函數(shù)將設(shè)備添加到設(shè)備列表中并將設(shè)備置為中斷模式。驅(qū)動(dòng)模塊初始化成功后，應(yīng)用程序就可以用標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)read()和write()收發(fā)數(shù)據(jù)了。RS-485通信協(xié)議 485通信幀格式表 1 485通信幀格式目的地址源地址長度控制幀凈荷數(shù)據(jù)CRC檢驗(yàn)1Byte1Byte1Byte2Bytes由長度字節(jié)確定，255Bytes2Bytes長度字段不包含控制字段、檢驗(yàn)字段。校驗(yàn)字段使用CCITT的CRC16的校驗(yàn)方法。校驗(yàn)字段默認(rèn)是加上的，只有在發(fā)送方的CPU負(fù)荷比較大時(shí)，并且能夠保證本幀出現(xiàn)的錯(cuò)誤不會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的和現(xiàn)實(shí)的影響，或者保證

11、影響在可以控制在一定范圍內(nèi)并且可以忍受時(shí)，才考慮取消校驗(yàn)字段。當(dāng)接收方接收到幀的總長度減去長度字段值與幀頭的長度之和，得到的結(jié)果為2時(shí)，表明發(fā)送方附帶了校驗(yàn)和。 485數(shù)據(jù)鏈路層幀表 2 485鏈路層幀格式頭標(biāo)志（0x7E）485通信幀尾標(biāo)志（0x7E）1Byte最大不超過485通信幀的長度（不包括字節(jié)拆分的添加字符）2Bytes頭標(biāo)志是任意個(gè)數(shù)的連續(xù)的字符0x7E，尾標(biāo)志也是任意個(gè)數(shù)的連續(xù)的字符0x7E。預(yù)定頭標(biāo)志為1Byte，尾標(biāo)志為2Bytes，在發(fā)送方的CPU認(rèn)為發(fā)送完畢最后一個(gè)尾標(biāo)志字符時(shí)，保證第一個(gè)尾標(biāo)志字符能夠完全到達(dá)目的設(shè)備。發(fā)送方除頭標(biāo)志或尾標(biāo)志之外，不允許出現(xiàn)0X7E，若遇

12、到0X7E，則拆分成0X7D，0X5E；若出現(xiàn)0X7D，則拆分成0X7D，0X5D傳送。串行通信應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 初始化配置 創(chuàng)建一個(gè)51200Bytes的接收環(huán)形緩沖區(qū)，用來存放剩余的或不成幀的數(shù)據(jù)：g_tRecvRingId = rngCreate(51200); 串口設(shè)備描述符為 “myCom”，打開串口并創(chuàng)建設(shè)備讀寫描述符：g_sdwChannelFD = open(“myCom”, O_RDWR, 0); 設(shè)置波特率：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOBAUDRATE, g_RS485LinkCBi.sdwBaudRate); 清空接收、發(fā)送緩存：ioctl(g_sdwC

13、hannelFD, FIOFLUSH,0); 工作模式設(shè)置：ioctl(g_sdwChannelFD, FIOSETOPTIONS, OPT_RAW); 通信發(fā)送過程在發(fā)送之前，發(fā)送方需要按照雙方約定的485通信幀格式將消息組幀，并按照約定數(shù)據(jù)鏈路傳輸協(xié)議組成485的數(shù)據(jù)鏈路幀。接下來就是如何發(fā)送數(shù)據(jù)包了。在RS-485通信中，發(fā)送過程主要采取了總線仲裁機(jī)制：在向485總線寫數(shù)據(jù)時(shí)，主設(shè)備先寫一字節(jié)的地址請求，所有的從設(shè)備均會(huì)收到，只有地址與之相等的從設(shè)備端口打開，其他設(shè)備全部關(guān)閉。這樣，主設(shè)備與從設(shè)備之間的通信就是點(diǎn)對點(diǎn)的。每一個(gè)從設(shè)備均有一根請求線與主設(shè)備相連，若從設(shè)備需要與主設(shè)備通信時(shí)，

14、先通過請求線進(jìn)行請求，當(dāng)請求成功后，從設(shè)備應(yīng)能檢測到總線上的地址與自身地址相同，從設(shè)備才能打開發(fā)送中斷，才能發(fā)送消息，發(fā)送完之后必須關(guān)閉發(fā)送中斷，釋放總線，以保證其他從設(shè)備這段時(shí)間能與主設(shè)備正常通信，提高通信效率。RS-485通信發(fā)送流程圖如圖3所示。 通信接收過程對于串口通信，仍然要關(guān)心數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性，因此采用中斷方式，利用VxWorks 提供的select 函數(shù)的事件觸發(fā)機(jī)制，將讀串口的任務(wù)阻塞使其一直等待數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)來到的時(shí)候該任務(wù)會(huì)立刻自動(dòng)響應(yīng)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，調(diào)用read( )接收數(shù)據(jù)并存入先前創(chuàng)建的接收環(huán)形緩沖區(qū)g_tRecvRingId中直至緩沖區(qū)g_tRecvRingId滿或接收完鏈路上的數(shù)據(jù)，接下來就是根據(jù)通信協(xié)議來處理數(shù)據(jù)包解幀處理過程。接收方判斷開始485通信幀的條件是，設(shè)備不報(bào)告接收錯(cuò)誤的情況下，接收到0x7E字符之后的第一個(gè)非0x7E的字符。判斷幀結(jié)束的條件是，幀接收已經(jīng)開始，遇到第一個(gè)尾標(biāo)志字符。在兩個(gè)0X7E間若收到0X7D，則丟棄，并將其后的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)與0X20異或。當(dāng)鏈路層的通信幀接收已經(jīng)開始的情況下，設(shè)備報(bào)告字符接收錯(cuò)誤，此時(shí)應(yīng)當(dāng)丟棄本幀，結(jié)束幀的接收，重新開始搜索下一幀。長度字段后面的字節(jié)個(gè)數(shù)不等于長度字段指示，并且也不等于長度字段加2