第18章

SCIUART——串口通信

在計(jì)算機(jī)設(shè)備與設(shè)備之間或集成電路之間常常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在本書后面的章節(jié)中我們會(huì)學(xué)習(xí)到各種各樣的通訊方式，所以在本章中我們先統(tǒng)一介紹這些通訊的基本概念。

18.1

串口通信協(xié)議簡(jiǎn)介

串口通訊（SerialCommunication）是一種設(shè)備間非常常用的串行通訊方式，因?yàn)樗?jiǎn)單便捷，因此大部分電子設(shè)備都支持該通訊方式，電子工程師在調(diào)試設(shè)備時(shí)也經(jīng)常使用該通訊方式輸出調(diào)試信息。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)里，大部分復(fù)雜的問題都可以通過分層來簡(jiǎn)化。如芯片被分為內(nèi)核層和片上外設(shè)。對(duì)于通訊協(xié)議，我們也以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協(xié)議層。

物理層規(guī)定通訊系統(tǒng)中具有機(jī)械、電子功能部分的特性，確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳輸。協(xié)議層主要規(guī)定通訊邏輯，統(tǒng)一收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)打包、解包標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單來說物理層規(guī)定我們用嘴巴還是用肢體來交流，協(xié)議層則規(guī)定我們用中文還是英文來交流。

下面我們分別對(duì)串口通訊協(xié)議的物理層及協(xié)議層進(jìn)行講解。

18.1.1

物理層

串口通訊的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)及變種，我們主要講解RS-232標(biāo)準(zhǔn)，RS-232標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了信號(hào)的用途、通訊接口以及信號(hào)的電平標(biāo)準(zhǔn)。

使用RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串口設(shè)備間常見的通訊結(jié)構(gòu)見圖19_1。

圖19-1 串口通訊結(jié)構(gòu)圖

在上面的通訊方式中，兩個(gè)通訊設(shè)備的“DB9接口”之間通過串口信號(hào)線建立起連接，串口信號(hào)線中使用“RS-232標(biāo)準(zhǔn)”傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。由于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)不能直接被控制器直接識(shí)別，所以這些信號(hào)會(huì)經(jīng)過一個(gè)“電平轉(zhuǎn)換芯片”轉(zhuǎn)換成控制器能識(shí)別的“TTL標(biāo)準(zhǔn)”的電平信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)通訊。

18.1.1.1

電平標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)通訊使用的電平標(biāo)準(zhǔn)不同，串口通訊可分為TTL標(biāo)準(zhǔn)及RS-232標(biāo)準(zhǔn)，見表19?1。

表19?1 TTL電平標(biāo)準(zhǔn)與RS232電平標(biāo)準(zhǔn)

我們知道常見的電子電路中常使用TTL的電平標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下，使用5V表示二進(jìn)制邏輯1，使用0V表示邏輯0；而為了增加串口通訊的遠(yuǎn)距離傳輸及抗干擾能力，RS-232使用-15V表示邏輯1，+15V表示邏輯0。使用RS232與TTL電平校準(zhǔn)表示同一個(gè)信號(hào)時(shí)的對(duì)比見圖19_2。

圖19-2 RS-232與TTL電平標(biāo)準(zhǔn)下表示同一個(gè)信號(hào)

因?yàn)榭刂破饕话闶褂肨TL電平標(biāo)準(zhǔn)，所以常常會(huì)使用MA3232芯片對(duì)TTL及RS-232電平的信號(hào)進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。

18.1.1.2

RS-232 信號(hào)線

在最初的應(yīng)用中，RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)常用于計(jì)算機(jī)、路由與調(diào)制調(diào)解器（MODEN，俗稱“貓”）之間的通訊，在這種通訊系統(tǒng)中，設(shè)備被分為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE（計(jì)算機(jī)、路由）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備DCE（調(diào)制調(diào)解器）。我們以這種通訊模型講解它們的信號(hào)線連接方式及各個(gè)信號(hào)線的作用。

在舊式的臺(tái)式計(jì)算機(jī)中一般會(huì)有RS-232標(biāo)準(zhǔn)的COM口（也稱DB9接口），見圖19_3。

圖19?3 電腦主板上的COM口及串口線

其中接線口以針式引出信號(hào)線的稱為公頭，以孔式引出信號(hào)線的稱為母頭。在計(jì)算機(jī)中一般引出公頭接口，而在調(diào)制調(diào)解器設(shè)備中引出的一般為母頭，使用上圖中的串口線即可把它與計(jì)算機(jī)連接起來。通訊時(shí)，串口線中傳輸?shù)男盘?hào)就是使用前面講解的RS-232標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制的。

在這種應(yīng)用場(chǎng)合下，DB9接口中的公頭及母頭的各個(gè)引腳的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線接法見圖19_4及表19_2。

圖19-4 DB9標(biāo)準(zhǔn)的公頭及母頭接法

表19-2DB9信號(hào)線說明

（公頭，為方便理解，可把DTE理解為計(jì)算機(jī)，DCE理解為調(diào)制調(diào)解器）

上表中的是計(jì)算機(jī)端的DB9公頭標(biāo)準(zhǔn)接法，由于兩個(gè)通訊設(shè)備之間的收發(fā)信號(hào)（RXD與TXD）應(yīng)交叉相連，所以調(diào)制調(diào)解器端的DB9母頭的收發(fā)信號(hào)接法一般與公頭的相反，兩個(gè)設(shè)備之間連接時(shí)，只要使用“直通型”的串口線連接起來即可，見圖19_5。

圖19-5 計(jì)算機(jī)與調(diào)制調(diào)解器的信號(hào)線連接

串口線中的RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信號(hào)，使用邏輯1表示信號(hào)有效，邏輯0表示信號(hào)無效。例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)端控制DTR信號(hào)線表示為邏輯1時(shí)，它是為了告知遠(yuǎn)端的調(diào)制調(diào)解器，本機(jī)已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，0則表示還沒準(zhǔn)備就緒。

在目前的其它工業(yè)控制使用的串口通訊中，一般只使用RXD、TXD以及GND三條信號(hào)線，直接傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，而RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信號(hào)都被裁剪掉了。