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你真的了解串口 (Serial)吗？

2023-05-16

一、串口的定义

串口，全称串行通信接口或串行通讯接口，是一种常用于电子设备间通讯的全双工扩展接口；

串行通信，串口通讯的技术基础，指一位一位地按顺序传送数据。其特点是线路简单，只需一对传输线，即可实现双向通信，大大降低成本。适用于远距离通信，但速度较慢；

串行收发模块，串口的现实载体，负责实现串行通讯，被集成到各种计算机设备中。其中，应用最广的是 USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) —— 通用同/异步串行接收/发送器。

二、串口的硬件特性

串口的硬件特性，规定了数据通讯时的机械、电子特性，以确保数据在物理媒介上的传输。

由于串口的硬件特性有很多标准及变种，限于篇幅，本文只记录最常见的 RS-232 标准。

RS-232串口设备，通讯结构如下：

在这里插入图片描述
① 通讯设备的“DB9 接口”，由串口线连接，按 RS-232 约定的格式，进行数据传输；
② 由于 RS-232 电平标准的信号不能直接被控制器识别，所以会先经过“电平转换芯片”，转换成“TTL 标准”，才能实现通讯。单片机开发、调试中常用到的“串口转USB模块”，实现的就是这类电平标准转换的作用。

在这里插入图片描述

2.1 电平标准

由上，RS-232串口设备中，存在两种电平标准 —— RS-232标准、TTL标准。具体细节如下：

电平标准逻辑 0 电平逻辑 1 电平生效阶段
RS-232+3V ~ +15V-15V ~ -3V通讯过程中
TTL0 ~ +0.5V+2.4V - +5V控制器收、发过程中

可见，RS-232标准的各逻辑对应电平，相对TTL标准都要大得多，这是为了增强串口通讯的远距离传输及抗干扰能力。

2.2 信号线

一般来说，进行信号传输的设备，分为数据终端设备 DTE(计算机、路由)和数据通讯设备 DCE(调制调解器)。

旧式的RS-232串口线，以针式引出信号线的称为公头，以孔式引出信号线的称为母头。两者均由九根信号线组成，如下图：

在这里插入图片描述
各编号线名称以及相应的说明，如下表所示：

序号名称符号数据方向说明
1载波检测DCDDTE → DCEData Carrier Detect，DTE 接收载波信号后的应答
2接收数据RXDDCE → DTEReceive Data，接收信号，即输入数据。通讯设备的 RXD、TXD 应交叉相连
3发送数据TXDDTE → DCETransmit Data，发送信号，即输出数据。通讯设备的 RXD、TXD 应交叉相连
4数据终端就绪DTRDTE → DCEData Terminal Ready，DTE 告知 DCE：本机已准备好
5信号地GND-地线，通讯设备之间必须共地
6数据设备就绪DSRDCE → DTEData Set Ready，DCE 告知 DTE：已准备好发送数据
7请求发送RTSDTE → DCERequest To Send，DTE 请求 DCE 发送数据，用于流控
8允许发送CTSDCE → DTEClear To Send，DCE 回应 DTE 的 RTS，用于流控
9响铃指示RIDCE → DTERing Indicator，响铃指示，表示 DCE 端与线路已接通

其中，RTS、CTS、DSR、DTR 及 DCD 信号，使用逻辑 1 表示有效，逻辑 0 为信号无效。（例如，当计算机端控制 DTR 信号线表示为逻辑 1 时，它是为了告知远端的调制调解器，本机已准备好接收数据， 0 则表示还没准备就绪。）

在目前的其它工业控制使用的串口通讯中，一般只使用 RXD、TXD 以及 GND 三根信号线，直接传输数据信号，而 RTS、CTS、DSR、DTR 及 DCD，都被裁剪掉了。

三、串口的软件协议

在RS-232的通讯中，定义了信号的软件协议标准。双方必须按照约定，以一致的通讯速率、包格式进行交互，否则将会出现数据异常。

在这里插入图片描述

3.1 波特率

每秒钟传送的码元个数（注意： 不是bit位个数），严格来说，波特率描述的是单位时间内调制（数模转换）信号的能力，而不是传输速率。

拓展：

  1. 码元，是指信息传输通道中，携带数据信息的模拟信号单元。通过不同的调制（数模转换）方式，一个码元符号可能负载多个bit位信息，所以不能说“一个码元等于一个bit”。当采用“两相调制”处理时，比特率等于波特率；
  2. 串口的传输速率，一般由比特率（单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数） 来进行衡量。

3.2 起始位与停止位

每个通讯的串口数据包，都是从起始位开始，结束于停止位。起始位是一个逻辑0的数据位；而停止位可由0.5、1、1.5 或 2 个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

3.3 有效数据

紧跟着起始位之后，便是串口数据包的主体内容，也称为有效数据，有效数据的长度可以是5、6、7、8个数据位，通讯开始前需要双方约定。

3.4 校验位

校验位是一个可选的数据位，紧跟在有效数据之后，用来校验，以防止因外部干扰而导致的传输偏差。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。

  1. 奇校验：令传输的数据（有效数据和校验位）中1的个数为奇数（例如：某个串口数据包中，有效数据共有偶数个位为1，则校验位取“1”，使整体1的个数为奇数）；
  2. 偶校验：与奇校验相反；
  3. 0校验：无论主体数据是什么，校验位保持为0；
  4. 1校验：无论主体数据是什么，校验位保持为1。
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Serial

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