詳解串口通信232/485/422，一文搞定！

更新時間：2021-06-03 14:23:27　點擊數(shù)：117056

計算機(jī)與計算機(jī)或計算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 

在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。RS-232-C接口（又稱EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。

RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號，C表示修改次數(shù)，代表RS232的最新一次修改（1969），在這之前，有RS232B、RS232A。它是在1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。

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)=+3～＋15V  在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：
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  

根據(jù)設(shè)備供電電源的不同，+-5、+-10、+-12和+-15這樣的電平都是可能的。

2、連接器的機(jī)械特性

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。最近，8管腳的RJ-45型連接器變得越來越普遍，盡管它的管腳分配相差很大。EIA/TIA 561標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種管腳分配的方法，但是由Dave Yost發(fā)明的被廣泛使用在Unix計算機(jī)上的Yost串連設(shè)備配線標(biāo)準(zhǔn) （"Yost Serial Device Wiring Standard"）以及其他很多設(shè)備都沒有采用上述任一種連線標(biāo)準(zhǔn)。下表中列出的是被較多使用的RS-232中的信號和管腳分配：

信號的標(biāo)注是從DTE設(shè)備的角度出發(fā)的，TD、DTR和RTS信號是由DTE產(chǎn)生的，RD、DSR、CTS、DCD和RI信號是由DCE產(chǎn)生的。

PC 機(jī)的RS-232 口為9 芯針插座。一些設(shè)備與PC 機(jī)連接的RS-232 接口,因為不使用對方的傳送控制信號,只需三條接口線,即“發(fā)送數(shù)據(jù)TXD”、“接收數(shù)據(jù)RXD”和“信號地GND”。

雙向接口能夠只需要3根線制作是因為RS-232的所有信號都共享一個公共接地。非平衡電路使得RS-232非常的容易受兩設(shè)備間基點電壓偏移的影響。對于信號的上升期和下降期，RS-232也只有相對較差的控制能力，很容易發(fā)生串話的問題。RS-232被推薦在短距離（15m以內(nèi)）間通信。由于非對稱電路的關(guān)系，RS-232接口電纜通常不是由雙絞線制作的。

3、傳輸電纜

RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制。

例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

由RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長度應(yīng)為50 英尺，其實這個4%的碼元畸變是很保守的，在實際應(yīng)用中，約有99%的用戶是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實際使用中最大距離會遠(yuǎn)超過50英尺，美國DEC公司曾規(guī)定允許碼元畸變?yōu)?0%而得出下面實驗結(jié)果。其中1 號電纜為屏蔽電纜，型號為DECP.NO.9107723 內(nèi)有三對雙絞線，每對由22# AWG 組成，其外覆以屏蔽網(wǎng)。2 號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為DECP.NO.9105856-04是22#AWG 的四芯電纜。

4、鏈路層
在RS-232標(biāo)準(zhǔn)中，字符是以一系列位元來一個接一個的傳輸。最長用的編碼格式是異步起停asynchronous start-stop格式，它使用一個起始位后面緊跟7或8 個數(shù)據(jù)比特，這個可能是奇偶位，然后是兩個停止位。所以發(fā)送一個字符需要10比特，帶來的一個好的效果是使全部的傳輸速率，發(fā)送信號的速率以10分劃。

串行通信在軟件設(shè)置里需要做多項設(shè)置，最常見的設(shè)置包括波特率、奇偶校驗和停止位。波特率是指從一設(shè)備發(fā)到另一設(shè)備的波特率，即每秒鐘多少比特bits per second (bit/s)。典型的波特率是300、1200、2400、9600、19200等bit/s。一般通信兩端設(shè)備都要設(shè)為相同的波特率，但有些設(shè)備也可以設(shè)置為自動檢測波特率。

奇偶校驗Parity是用來驗證數(shù)據(jù)的正確性。奇偶校驗一般不用，如果使用，那么既可以做奇校驗也可以做偶校驗。奇偶校驗是通過修改每一發(fā)送字節(jié)（也可以限制發(fā)送的字節(jié)）來工作的。如果不作奇偶校驗，那么數(shù)據(jù)是不會被改變的。在偶校驗中，因為奇偶校驗位會被相應(yīng)的置1或0（一般是最高位或最低位），所以數(shù)據(jù)會被改變以使得所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中“1”的個數(shù)為偶數(shù)；在奇校驗中，所有傳送的數(shù)位（含字符的各數(shù)位和校驗位）中“1”的個數(shù)為奇數(shù)。奇偶校驗可以用于接受方檢查傳輸是否發(fā)送生錯誤——如果某一字節(jié)中“1”的個數(shù)發(fā)生了錯誤，那么這個字節(jié)在傳輸中一定有錯誤發(fā)生。如果奇偶校驗是正確的，那么要么沒有發(fā)生錯誤要么發(fā)生了偶數(shù)個的錯誤。

停止位是在每個字節(jié)傳輸之后發(fā)送的，它用來幫助接受信號方硬件重同步。

在串行通信軟件設(shè)置中D/P/S是常規(guī)的符號表示。8/N/1（非常普遍）表明8bit數(shù)據(jù)，沒有奇偶校驗，1bit停止位。數(shù)據(jù)位可以設(shè)置為7、8或者9，奇偶校驗位可以設(shè)置為無（N）、奇（O）或者偶（E），奇偶校驗位可以使用數(shù)據(jù)中的比特位，所以8/E/1就表示一共8位數(shù)據(jù)位，其中一位用來做奇偶校驗位。停止位可以是1、1.5或者2位的（1.5是用在波特率為60wpm的電傳打字機(jī)上的）。

 5、傳輸控制 
當(dāng)需要發(fā)送握手信號或數(shù)據(jù)完整性檢測時需要制定其他設(shè)置。公用的組合有RTS/CTS，DTR/DSR或者XON/XOFF（實際中不使用連接器管腳而在數(shù)據(jù)流內(nèi)插入特殊字符）。

接受方把XON/XOFF信號發(fā)給發(fā)送方來控制發(fā)送方何時發(fā)送數(shù)據(jù)，這些信號是與發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸方向相反的。XON信號告訴發(fā)送方接受方準(zhǔn)備好接受更多的數(shù)據(jù)，XOFF信號告訴發(fā)送方停止發(fā)送數(shù)據(jù)直到知道接受方再次準(zhǔn)備好。XON/XOFF一般不贊成使用，推薦用RTS/CTS控制流來代替它們。

XON/XOFF是一種工作在終端間的帶內(nèi)方法，但是必須兩端都支持這個協(xié)議，而且在突然啟動的時候會有混淆的可能。

XON/XOFF可以工作于3線的接口。RTS/CTS最初是設(shè)計為電傳打字機(jī)和調(diào)制解調(diào)器半雙工協(xié)作通信的，每次它只能一方調(diào)制解調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。終端必須發(fā)送請求發(fā)送信號然后等到調(diào)制解調(diào)器回應(yīng)清除發(fā)送信號。盡管RTS/CTS是通過硬件達(dá)到握手，但它有自己的優(yōu)勢。

6、RS-232標(biāo)準(zhǔn)的不足 
經(jīng)過許多年來RS-232 器件以及通信技術(shù)的改進(jìn)，RS-232 的通信距離已經(jīng)大大增加。由于RS-232 接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點：

（1） 接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL 電路連接。

（2） 傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps。現(xiàn)在由于采用新的UART 芯片16C550 等，波特率達(dá)到115.2Kbps。

（3） 接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式， 這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

（4） 傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50 米，實際上也只能用在15米左右。

二、RS485基礎(chǔ)知識

針對RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)的局限性，人們又提出了RS-422,RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測到低至200mV電壓。UPS不間斷電源工作原理
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