RS232串口通訊詳解

1、串口通訊RS-232-C詳解藍(lán)鳥 發(fā)表于 2005-9-22 16:19:34 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。但都是在RS-232標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)而形成的。所以，以RS-232C為主來討論。RS-323C標(biāo)準(zhǔn)是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會）與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在020000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標(biāo)準(zhǔn)對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。 在討論RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容之前，先說明兩

2、點(diǎn)： 首先，RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)最初是遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(Data Terminal Equipment)與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（Data Communication Equipment)而制定的。因此這個標(biāo)準(zhǔn)的制定，并未考慮計算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。但目前它又廣泛地被借來用于計算機(jī)（更準(zhǔn)確的說，是計算機(jī)接口）與終端或外設(shè)之間的近端連接標(biāo)準(zhǔn)。顯然，這個標(biāo)準(zhǔn)的有些規(guī)定及和計算機(jī)系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對RS-232C標(biāo)準(zhǔn)與計算機(jī)不兼容的地方就不難理解了。 其次，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場上，而不是站在DCE的立場來定

3、義的。由于在計算機(jī)系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收。 一、RS-232-CRS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（ecommeded standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識號，C代表RS232的最新一次修改（1969），在這之前，有RS232B、RS232A。它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號功能及傳送過程。常用物理標(biāo)準(zhǔn)還有有EIA�RS-232-C、EIA�RS-422-A、EIA

4、�RS-423A、EIA�RS-485。 這里只介紹EIA�RS-232-C（簡稱232，RS232）。 例如，目前在IBM PC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。1.電氣特性EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V-15V              邏輯0(SPACE)=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線

5、上：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）+3V+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)=-3V-15V圖1以上規(guī)定說明了RS-323C標(biāo)準(zhǔn)對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平告語+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時，應(yīng)保證電平在±(315)V之間。EIA-RS-232C與TTL轉(zhuǎn)換：EIA-RS

6、-232C是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC1489、SN75154可實(shí)現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTLEIA雙向電平轉(zhuǎn)換，圖1顯示了1488和1489的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳。MC1488的引腳(2)、(4,5)、(9,10)和(12,13)接TTL輸入。引

7、腳3、6、8、11輸出端接EIA-RS-232C。MC1498的14的1、4、10、13腳接EIA輸入，而3、6、8、11腳接TTL輸出。具體連接方法如圖2所示。圖中的左邊是微機(jī)串行接口電路中的主芯片UART，它是TTL器件，右邊是EIA-RS-232C連接器，要求EIA高電壓。因此，RS-232C所有的輸出、輸入信號都要分別經(jīng)過MC1488和MC1498轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才能送到連接器上去或從連接器上送進(jìn)來。圖22、連接器的機(jī)械特性：連接器：由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25、DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。下面分別介紹兩種連

8、接器。（1）DB-25： PC和XT機(jī)采用DB-25型連接器。DB-25連接器定義了25根信號線，分為4組：異步通信的9個電壓信號（含信號地SG）2，3，4，5，6，7，8，20，2220mA電流環(huán)信號 9個（12，13，14，15，16，17，19,23，24）空6個（9，10，11，18，21，25）保護(hù)地（PE）1個，作為設(shè)備接地端（1腳）DB-25型連接器的外形及信號線分配如圖3所示。注意，20mA電流環(huán)信號僅IBM PC和IBM PC/XT機(jī)提供，至AT機(jī)及以后，已不支持。圖3（2）DB-9連接器在AT機(jī)及以后，不支持20mA電流環(huán)接口，使用DB-9連接器，作為提供多功能I/O卡或主

9、板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。它只提供異步通信的9個信號。DB-25型連接器的引腳分配與DB-25型引腳信號完全不同。因此，若與配接DB-25型連接器的DCE設(shè)備連接，必須使用專門的電纜線。電纜長度：在通信速率低于20kb/s時，RS-232C所直接連接的最大物理距離為15m（50英尺）。最大直接傳輸距離說明：RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，若不使用MODEM，在碼元畸變小于4%的情況下，DTE和DCE之間最大傳輸距離為15m（50英尺）。可見這個最大的距離是在碼元畸變小于4%的前提下給出的。為了保證碼元畸變小于4%的要求，接口標(biāo)準(zhǔn)在電氣特性中規(guī)定，驅(qū)動器的負(fù)載電容應(yīng)小于2500pF。3

10、、RS-232C的接口信號RS-232C規(guī)標(biāo)準(zhǔn)接口有25條線，4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，常用的只有9根，它們是：（1）聯(lián)絡(luò)控制信號線：數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好（Data set ready-DSR)有效時（ON）狀態(tài)，表明MODEM處于可以使用的狀態(tài)。數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(Data set ready-DTR)有效時（ON）狀態(tài)，表明數(shù)據(jù)終端可以使用。這兩個信號有時連到電源上，一上電就立即有效。這兩個設(shè)備狀態(tài)信號有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進(jìn)行通信了，能否開始進(jìn)行通信要由下面的控制信號決定。請求發(fā)送(Request to send-RTS)用來表示DTE請

11、求DCE發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時，使該信號有效（ON狀態(tài)），向MODEM請求發(fā)送。它用來控制MODEM是否要進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。允許發(fā)送（Clear to send-CTS）用來表示DCE準(zhǔn)備好接收DTE發(fā)來的數(shù)據(jù)，是對請求發(fā)送信號RTS的響應(yīng)信號。當(dāng)MODEM已準(zhǔn)備好接收終端傳來的數(shù)據(jù)，并向前發(fā)送時，使該信號有效，通知終端開始沿發(fā)送數(shù)據(jù)線TxD發(fā)送數(shù)據(jù)。這對RTS/CTS請求應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號是用于半雙工MODEM系統(tǒng)中發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中作發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯(lián)絡(luò)信號，使其變高。接收線信號檢出(Receive

12、d Line detection-RLSD)用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。當(dāng)本地的MODEM收到由通信鏈路另一端（遠(yuǎn)地）的MODEM送來的載波信號時，使RLSD信號有效，通知終端準(zhǔn)備接收，并且由MODEM將接收下來的載波信號解調(diào)成數(shù)字兩數(shù)據(jù)后，沿接收數(shù)據(jù)線RxD送到終端。此線也叫做數(shù)據(jù)載波檢出(Data Carrier dectection-DCD）線。振鈴指示(Ringing-RI)當(dāng)MODEM收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效（ON狀態(tài)），通知終端，已被呼叫。（2）數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線：發(fā)送數(shù)據(jù)(Transmitted data-TxD)通過TxD終端將串行數(shù)

13、據(jù)發(fā)送到MODEM，(DTEDCE)。接收數(shù)據(jù)(Received data-RxD)通過RxD線終端接收從MODEM發(fā)來的串行數(shù)據(jù)，(DCEDTE)。（3）地線有兩根線SG、PG信號地和保護(hù)地信號線，無方向。上述控制信號線何時有效，何時無效的順序表示了接口信號的傳送過程。例如，只有當(dāng)DSR和DTR都處于有效（ON）狀態(tài)時，才能在DTE和DCE之間進(jìn)行傳送操作。若DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)，則預(yù)先將DTR線置成有效(ON)狀態(tài)，等CTS線上收到有效(ON)狀態(tài)的回答后，才能在TxD線上發(fā)送串行數(shù)據(jù)。這種順序的規(guī)定對半雙工的通信線路特別有用，因為半雙工的通信才能確定DCE已由接收方向改為發(fā)送方向，這時線路才

14、能開始發(fā)送。2個數(shù)據(jù)信號：發(fā)送TXD；接收RXD。1個信號地線：SG。6個控制信號：DSR��數(shù)傳機(jī)（即modem）準(zhǔn)備好，Data Set Ready.DTR��數(shù)據(jù)終端（DTE，即微機(jī)接口電路，如Intel8250/8251,16550）準(zhǔn)備好，Data Terminal Ready。RTS��DTE請求DCE發(fā)送(Request To Send)。CTS��DCE允許DTE發(fā)送（Clear To Send）,該信號是對RTS信號的回答。DCD��數(shù)據(jù)

15、載波檢出，Data Carrier Detection當(dāng)本地DCE設(shè)備（Modem）收到對方的DCE設(shè)備送來的載波信號時，使DCD有效，通知DTE準(zhǔn)備接收， 并且由DCE將接收到的載波信號解調(diào)為數(shù)字信號， 經(jīng)RXD線送給DTE。RI��振鈴信號 Ringing當(dāng)DCE收到交換機(jī)送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效，通知DTE已被呼叫。232引腳CCITTModem名稱說明用途異步同步1101AA保護(hù)地設(shè)備外殼接地PEPE2103BA發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)送ModemTXD3104BB接收數(shù)據(jù)從Modem接收數(shù)據(jù)RXD4105CA請求發(fā)送在半雙工時控制發(fā)送器的開和關(guān)RTS5106

16、CB允許發(fā)送Modem允許發(fā)送CTS6107CC數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好Modem準(zhǔn)備好DSR7102AB信號地信號公共地SGSG8109CF載波信號檢測Modem正在接收另一端送來的信號DCD  9    空        10    空      11    空     &#

17、160;12接收信號檢測（2）在第二通道檢測到信號  13允許發(fā)送（2）第二通道允許發(fā)送  14118  發(fā)送數(shù)據(jù)（2）第二通道發(fā)送數(shù)據(jù)  15113DA發(fā)送器定時為Modem提供發(fā)送器定時信號  16119接收數(shù)據(jù)（2）第二通道接收數(shù)據(jù)  17115DD接收器定時為接口和終端提供定時  18空    19請求發(fā)送（2）連接第二通道的發(fā)送器  20108CD數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTR21空

18、  22125振鈴振鈴指示RI  23111CH數(shù)據(jù)率選擇選擇兩個同步數(shù)據(jù)率  24114DB發(fā)送器定時為接口和終端提供定時  25空      一、遠(yuǎn)距離通信 第1和第2中情況是屬于遠(yuǎn)距離通信（傳輸距離大于15m的通信）的例子，故一般要加調(diào)制解調(diào)器MODEM，因此使用的信號線較多。注意：在以下各圖中，DTE信號為RS-232-C信號，DTE與計算機(jī)間的電平轉(zhuǎn)換電路未畫出。 1、采用Modem(DCE)和電話網(wǎng)通信時的信號連接： 若在雙方MODEM之間采用

19、普通電話交換線進(jìn)行通信，除了需要28號信號線外還要增加RI(22號)和DTR(20號)兩個信號線進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，如圖1所示。 圖1 DSR、DTR：數(shù)傳機(jī)（DCE）準(zhǔn)備好、數(shù)據(jù)終端（DTE）準(zhǔn)備好，只表示設(shè)備本身可用。 首先，通過電話機(jī)拔號呼叫對方，電話交換臺向?qū)Ψ桨l(fā)出拔號呼叫信號，當(dāng)對方DCE收到該信號后，使RI（振鈴信號）有效，通知DTE，已被呼叫。當(dāng)對方“摘機(jī)”后，兩方建立了通信鏈路。 若計算機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)至對方，首先通過接口電路（DTE）發(fā)出RTS（請求發(fā)送）信號。此時，若DCE（Modem）允許傳送，則向DTE回答CTS（允許發(fā)送）信號。一般可直接將RTS/CTS接高電平，即只要通信鏈路已建

20、立，就可傳送信號。（RTS/CTS可只用于半雙工系統(tǒng)中作發(fā)送方式和接收方式的切換。 當(dāng)DTE獲得CTS信號后，通過TXD線向DCE發(fā)出串行信號，DCE（Modem）將這些數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號（又稱載波信號），傳向?qū)Ψ健?計算機(jī)向DTE“數(shù)據(jù)輸出寄存器”傳送新的數(shù)據(jù)前，應(yīng)檢查Modem狀態(tài)和數(shù)據(jù)輸出寄存器為空。當(dāng)對方的DCE收到載波信號后，向?qū)Ψ降腄TE發(fā)出DCD信號（數(shù)據(jù)載波檢出），通知其DTE準(zhǔn)備接收，同時，將載波信號解調(diào)為數(shù)據(jù)信號，從RXD線上送給DTE，DTE通過串行接收移位寄存器對接收到的位流進(jìn)行移位，當(dāng)收到1個字符的全部位流后，把該字符的數(shù)據(jù)位送到數(shù)據(jù)輸入寄存器，CPU可以從數(shù)據(jù)輸

21、入寄存器讀取字符。 2、采用專用電話線通信：在通信雙方的MODEM之間采用電話線進(jìn)行通信，則只要使用28號信號線進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制。不需要電話機(jī)、振鈴信號RI和DTR信號，其信號線的連接如圖2那樣。 圖2 二、近距離通信： 當(dāng)通信距離較近時，可不需要Modem，通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用少數(shù)幾根信號線。最簡單的情況，在通信中根本不需要RS-232C的控制聯(lián)絡(luò)信號，只需三根線（發(fā)送線、接收線、信號地線）便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信，即是這里要討論的第一種情況。 無Modem時，最大通信距離按如下方式計算： RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)誤碼率小于4%時，要求導(dǎo)線的電容值應(yīng)小于2500PF。對于普通導(dǎo)線，其電容值約為170PF/M。則允許距離L=2500PF/（170PF/M）=15M 這一距離的計算，是偏于保守的，實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)使用9600bps，普通雙絞屏蔽線時，距離可達(dá)3035米。 1、零Modem 的最簡連線（