詳解串口通信232/485/422，一文搞定！

更新時(shí)間：2021-06-03 14:23:27　點(diǎn)擊數：117133

計算機與計算機或計算機與終端之間的數據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(xiàn)路少、成本低，特別是在遠程傳輸時(shí)，避免了多條線(xiàn)路特性的不一致而被廣泛采用。 

在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。RS-232-C接口（又稱(chēng)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(huì )EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫(xiě)，232為標識號，C表示修改次數，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(huì )（EIA）聯(lián)合貝爾系統、調制解調器廠(chǎng)家及計算機終端生產(chǎn)廠(chǎng)家共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數據終端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）之間串行二進(jìn)制數據交換接口技術(shù)標準”。

1、電氣特性  

EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線(xiàn)功能都作了規定。

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(xiàn)上：
信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V  
信號無(wú)效（斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V～-15V  

根據設備供電電源的不同，+-5、+-10、+-12和+-15這樣的電平都是可能的。

2、連接器的機械特性

由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現了DB-25、DB-15和DB-9各種類(lèi)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(lái)越普遍，盡管它的管腳分配相差很大。EIA/TIA 561標準規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計算機上的Yost串連設備配線(xiàn)標準 （"Yost Serial Device Wiring Standard"）以及其他很多設備都沒(méi)有采用上述任一種連線(xiàn)標準。下表中列出的是被較多使用的RS-232中的信號和管腳分配：

信號的標注是從DTE設備的角度出發(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 機的RS-232 口為9 芯針插座。一些設備與PC 機連接的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(xiàn),即“發(fā)送數據TXD”、“接收數據RXD”和“信號地GND”。

雙向接口能夠只需要3根線(xiàn)制作是因為RS-232的所有信號都共享一個(gè)公共接地。非平衡電路使得RS-232非常的容易受兩設備間基點(diǎn)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(huà)的問(wèn)題。RS-232被推薦在短距離（15m以?xún)龋╅g通信。由于非對稱(chēng)電路的關(guān)系，RS-232接口電纜通常不是由雙絞線(xiàn)制作的。

3、傳輸電纜

RS-232-C標準規定的數據傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特，驅動(dòng)器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制。

例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，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(wèn)題，因此一般用于20m以?xún)鹊耐ㄐ拧?/span>

由RS-232C標準規定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長(cháng)度應為50 英尺，其實(shí)這個(gè)4%的碼元畸變是很保守的，在實(shí)際應用中，約有99%的用戶(hù)是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì )遠超過(guò)50英尺，美國DEC公司曾規定允許碼元畸變?yōu)?0%而得出下面實(shí)驗結果。其中1 號電纜為屏蔽電纜，型號為DECP.NO.9107723 內有三對雙絞線(xiàn)，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標準中，字符是以一系列位元來(lái)一個(gè)接一個(gè)的傳輸。最長(cháng)用的編碼格式是異步起停asynchronous start-stop格式，它使用一個(gè)起始位后面緊跟7或8 個(gè)數據比特，這個(gè)可能是奇偶位，然后是兩個(gè)停止位。所以發(fā)送一個(gè)字符需要10比特，帶來(lái)的一個(gè)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。

串行通信在軟件設置里需要做多項設置，最常見(jiàn)的設置包括波特率、奇偶校驗和停止位。波特率是指從一設備發(fā)到另一設備的波特率，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。一般通信兩端設備都要設為相同的波特率，但有些設備也可以設置為自動(dòng)檢測波特率。

奇偶校驗Parity是用來(lái)驗證數據的正確性。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(guò)修改每一發(fā)送字節（也可以限制發(fā)送的字節）來(lái)工作的。如果不作奇偶校驗，那么數據是不會(huì )被改變的。在偶校驗中，因為奇偶校驗位會(huì )被相應的置1或0（一般是最高位或最低位），所以數據會(huì )被改變以使得所有傳送的數位（含字符的各數位和校驗位）中“1”的個(gè)數為偶數；在奇校驗中，所有傳送的數位（含字符的各數位和校驗位）中“1”的個(gè)數為奇數。奇偶校驗可以用于接受方檢查傳輸是否發(fā)送生錯誤——如果某一字節中“1”的個(gè)數發(fā)生了錯誤，那么這個(gè)字節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(méi)有發(fā)生錯誤要么發(fā)生了偶數個(gè)的錯誤。

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

在串行通信軟件設置中D/P/S是常規的符號表示。8/N/1（非常普遍）表明8bit數據，沒(méi)有奇偶校驗，1bit停止位。數據位可以設置為7、8或者9，奇偶校驗位可以設置為無(wú)（N）、奇（O）或者偶（E），奇偶校驗位可以使用數據中的比特位，所以8/E/1就表示一共8位數據位，其中一位用來(lái)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的電傳打字機上的）。

 5、傳輸控制 
當需要發(fā)送握手信號或數據完整性檢測時(shí)需要制定其他設置。公用的組合有RTS/CTS，DTR/DSR或者XON/XOFF（實(shí)際中不使用連接器管腳而在數據流內插入特殊字符）。

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

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

XON/XOFF可以工作于3線(xiàn)的接口。RTS/CTS最初是設計為電傳打字機和調制解調器半雙工協(xié)作通信的，每次它只能一方調制解調器發(fā)送數據。終端必須發(fā)送請求發(fā)送信號然后等到調制解調器回應清除發(fā)送信號。盡管RTS/CTS是通過(guò)硬件達到握手，但它有自己的優(yōu)勢。

6、RS-232標準的不足 
經(jīng)過(guò)許多年來(lái)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 接口標準出現較早，難免有不足之處，主要有以下四點(diǎn)：

（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換電路方能與TTL 電路連接。

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

（3） 接口使用一根信號線(xiàn)和一根信號返回線(xiàn)而構成共地的傳輸形式， 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，最大傳輸距離標準值為50 米，實(shí)際上也只能用在15米左右。

二、RS485基礎知識

針對RS-232串口標準的局限性，人們又提出了RS-422,RS-485接口標準。RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)過(guò)線(xiàn)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(xiàn)通常使用雙絞線(xiàn)，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線(xiàn)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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