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串口通信协议简介—学习笔记

2023-05-16

串口通信协议简介—学习笔记

文章目录

  • 串口通信协议简介—学习笔记
    • 一、串口、COM口、UART口, TTL、RS-232、RS-485区别详解
      • 1、物理接口形式
      • 2、电平标准
        • 2.1 **TTL**
        • 2.2 **RS232**
        • 2.3 **RS485**
        • 2.4 TTL标准及RS-232标准
        • 2.5 补充
      • 3、几种常见、常用的硬件接口
    • 二、串口通信百度百科
    • 三、协议层
        • 1. 波特率
        • 2. 通讯的起始和停止信号
        • 3. 有效数据
        • 4. 数据校验

一、串口、COM口、UART口, TTL、RS-232、RS-485区别详解

首先，串口、UART口、COM口、USB口是指的物理接口形式(硬件)。而TTL、RS-232、RS-485是指的电平标准(电信号)。

1、物理接口形式

  • 串口：串口是一个泛称，UART、TTL、RS232、RS485都遵循类似的通信时序协议，因此都被通称为串口。
  • UART接口：通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，UART是串口收发的逻辑电路，这部分可以独立成芯片，也可以作为模块嵌入到其他芯片里，单片机、SOC、PC里都会有UART模块。
  • COM口：COM口即串行通讯端口，简称串口。这里区别于USB的“通用串行总线”和硬盘的“SATA”。

一般我们见到的是两种物理标准：D型9针插头，和 4针杜邦头两种。

  • USB口：通用串行总线，和串口完全是两个概念。虽然也是串行方式通信，但由于USB的通信时序和信号电平都和串口完全不同，因此和串口没有任何关系。USB是高速的通信接口，用于PC连接各种外设，U盘、键鼠、移动硬盘、当然也包括“USB转串口”的模块。

注：（USB转串口模块，就是USB接口的UART模块）

2、电平标准

2.1 TTL

TTL指双极型三极管逻辑电路，市面上很多**“USB转TTL”模块，实际上是“USB转TTL电平的串口”**模块。这种信号0对应0V，1对应3.3V或者5V。

与单片机、SOC的IO电平兼容。不过实际也不一定是TTL电平，因为现在大部分数字逻辑都是CMOS工艺做的，只是沿用了TTL的说法。

我们进行串口通信的时候 从单片机直接出来的基本是都是TTL 电平。

TTL电平：全双工（逻辑1: 2.4V–5V 逻辑0: 0V–0.5V）

TTL用于两个MCU间通信，硬件框图如下：
在这里插入图片描述

‘0’和‘1’表示：
在这里插入图片描述

2.2 RS232

是电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 制定的异步传输标准接口，同时对应着电平标准和通信协议（时序），其电平标准：+3V～+15V对应0，-3V～-15V对应1。

RS232 的逻辑电平和TTL 不一样但是协议一样。

RS-232电平：全双工（逻辑1：-15V–5V 逻辑0：+3V–+15V）

RS-232用于MCU与PC机之间通信，硬件框图如下：
在这里插入图片描述

‘0’和‘1’表示：
在这里插入图片描述

2.3 RS485

RS485是一种串口接口标准，为了长距离传输采用差分方式传输，传输的是差分信号，抗干扰能力比RS232强很多。

两线压差为-(26)V表示1，两线压差为+(26)V表示0

差分负逻辑

RS-485：半双工、（逻辑0：+2V–+6V 逻辑1： -6V—2V）这里的电平指AB两线间的电压差。

硬件框图如下：
在这里插入图片描述

‘0’和‘1’表示：（差分信号）
在这里插入图片描述

2.4 TTL标准及RS-232标准

我们知道常见的电子电路中常使用TTL的电平标准，理想状态下，使用5V表示二进制逻辑1，使用0V表示逻辑0；

而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，它使用-15V表示逻辑1，+15V表示逻辑0。

使用RS232与TTL电平校准表示同一个信号时的对比见图：
在这里插入图片描述

因为控制器一般使用TTL电平标准，所以常常会使用MA3232芯片对TTL及RS-232电平的信号进行互相转换。
在这里插入图片描述

2.5 补充

在旧式的台式计算机中一般会有RS-232标准的COM口(也称DB9接口)

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三条信号线，直接传输数据信号。而RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信号都被裁剪掉了
在这里插入图片描述

3、几种常见、常用的硬件接口

1. D型9针串口
在这里插入图片描述

一般只接出RXD TXD两针，外加GND。

这种接口的协议只有两种：RS-232和RS-485。

2. USB转TTL串口
在这里插入图片描述

CP2102芯片、PL2303芯片

3. USB转RS-232串口
在这里插入图片描述

二、串口通信百度百科

串口通信指串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比特字节（byte）的串行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信协议是指规定了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。

在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。

三、协议层

串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据

串口数据包的基本组成图如下：
在这里插入图片描述

1. 波特率

主要讲解的是串口异步通讯，异步通讯中由于没有时钟信号(如前面讲解的DB9接口中是没有时钟信号的)，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，图 中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800、9600、115200等。

2. 通讯的起始和停止信号

串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，而数据包的停止信号可由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. 有效数据

在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为5、6、7或8位长。

4. 数据校验

在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。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)，它们介绍如下：

  • 奇校验要求有效数据和校验位中"1"的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时总共有4个"1"，为达到奇校验效果，校验位为"1"，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位总共9位。

  • 偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中"1"的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧"1"的个数为4个，所以偶校验位为"0"。

  • 0校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为"0"，1校验是校验位总为"1"。

  • 在无校验的情况下，数据包中不包含校验位。
    求刚好相反，要求帧数据和校验位中"1"的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧"1"的个数为4个，所以偶校验位为"0"。

  • 0校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为"0"，1校验是校验位总为"1"。

  • 在无校验的情况下，数据包中不包含校验位。

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