USART串口协议

1、 串行通讯与并行通讯

  按数据传送的方式,通讯可分为串行通讯与并行通讯,串行通讯是指设备之间通过少量数据信号线(一般是 8 根以下),地线以及控制信号线,按数据位形式一位一位地传输数据的通讯方式。而并行通讯一般是指使用 8、 16、 32 及 64 根或更多的数据线进行传输的通讯方式,它们的通讯传输对比说明见下图:

  很明显,因为一次可传输多个数据位的数据 ,在数据传输速率相同的情况下,并行通讯传输的数据量要大得多,而串行通讯则可以节省数据线的硬件成本(特别是远距离时)以及 PCB 的布线面积,串行通讯与并行通讯的特性对比见下表:

 不过由于并行传输对同步要求较高,且随着通讯速率的提高,信号干扰的问题会显著影响通讯性能,现在随着技术的发展,越来越多的应用场合采用高速率的串行差分传输。 

2、 全双工、半双工及单工通讯

  根据数据通讯的方向,通讯又分为全双工、半双工及单工通讯,它们主要以信道的方向来区分,见下图:

3、 同步通讯与异步通讯

  根据通讯的数据同步方式,又分为同步和异步两种,可以根据通讯过程中是否有使用到时钟信号进行简单的区分。

  在同步通讯中,收发设备双方会使用一根信号线表示时钟信号,在时钟信号的驱动下双方进行协调,同步数据,见下图。通讯中通常双方会统一规定在时钟信号的上升沿或下降沿对数据线进行采样。  

  在异步通讯中不使用时钟信号进行数据同步,它们直接在数据信号中穿插一些同步用的信号位,或者把主体数据进行打包,以数据帧的格式传输数据,见下图,某些通讯中还需要双方约定数据的传输速率,以便更好地同步 。

   在同步通讯中,数据信号所传输的内容绝大部分就是有效数据,而异步通讯中会包含有帧的各种标识符,所以同步通讯的效率更高,但是同步通讯双方的时钟允许误差较小,而异步通讯双方的时钟允许误差较大。  

4、 通讯速率

  衡量通讯性能的一个非常重要的参数就是通讯速率,通常以比特率(Bitrate)来表示,即每秒钟传输的二进制位数,单位为比特每秒(bit/s)。容易与比特率混淆的概念是“波特率”(Baudrate),它表示每秒钟传输了多少个码元。而码元是通讯信号调制的概念,通讯中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字,这样的信号称为码元。如常见的通讯传输中,用 0V 表示数字 0, 5V 表示数字 1,那么一个码元可以表示两种状态 和 1,所以一个码元等于一个二进制比特位,此时波特率的大小与比特率一致;如果在通讯传输中,有 0V2V、 4V 以及 6V 分别表示二进制数 00、 01、 10、 11,那么每个码元可以表示四种状态,即两个二进制比特位,所以码元数是二进制比特位数的一半,这个时候的波特率为比特率的一半。因为很多常见的通讯中一个码元都是表示两种状态,人们常常直接以波特率来表示比特率,虽然严格来说没什么错误,但希望您能了解它们的区别。 

5、串口通讯协议简介

  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。  

  串口通讯(Serial Communication)是一种设备间非常常用的串行通讯方式,因为它简单便捷,大部分电子设备都支持该通讯方式,电子工程师在调试设备时也经常使用该通讯方式输出调试信息。

  在计算机科学里,大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设; STM32 标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议,我们也以分层的方式来理解,最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性,确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑,统一收发双方的数据打包、解包标准。

  串口在嵌入式系统当中是一类重要的数据通信接口,其本质功能是作为 CPU 和串行设备间的编码转换器。当数据从 CPU 经过串行端口发送出去时,字节数据转换为串行的位;在接收数据时,串行的位被转换为字节数据。应用程序要使用串口进行通信,必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求(打开串口),通信完成后必须释放资源(关闭串口)。典型地,串口用于 ASCII 码字符的传输。通信使用3根线完成:(1)地线,(2)发送数据线,(3)接收数据线。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口,这些参数必须匹配:波特率是一个衡量通信速度的参数,它表示每秒钟传送的 bit 的个数;数据位是衡量通信中实际数据位的参数,当计算机发送一个信息包,标准的值是 5,7 和 8 位。如何设置取决于你的需求;停止位用于表示单个包的最后一位,典型的值为 1,1.5和 2 位,停止位不仅仅是表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会;奇偶校验位是串口通信中一种简单的检错方式,有四种检错方式——偶、奇、高和低,也可以没有校验位。

  5.1、物理层

  串口通讯的物理层有很多标准及变种,我们主要讲解 RS-232 、RS485、RS422标准 , 这些标准主要规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准。

  (1)、通讯接口 

  以RS232为例:  

  在最初的应用中, RS-232 串口标准常用于计算机、路由与调制调解器(MODEN,俗称“猫” )之间的通讯 ,在这种通讯系统中,设备被分为数据终端设备 DTE(计算机、路由)和数据通讯设备 DCE(调制调解器)。我们以这种通讯模型讲解它们的信号线连接方式及各个信号线的作用。

  在旧式的台式计算机中一般会有 RS-232 标准的 COM (也称 DB9 接口), 其中接线口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。在计算机中一般引出公头接口,而在调制调解器设备中引出的一般为母头,使用上图中的串口线即可把它与计算机连接起来。通讯时,串口线中传输的信号就是使用前面讲解的 RS-232 标准调制的。

  在这种应用场合下, DB9 接口中的公头及母头的各个引脚的标准信号线接法见下图:

   上表中的是计算机端的 DB9 公头标准接法,由于两个通讯设备之间的收发信号(RXD与 TXD)应交叉相连,所以调制调解器端的 DB9 母头的收发信号接法一般与公头的相反,两个设备之间连接时,只要使用“直通型”的串口线连接起来即可,见下图:

  串口线中的 RTSCTSDSRDTR DCD 信号,使用逻辑 1 表示信号有效,逻辑 0表示信号无效。例如,当计算机端控制 DTR 信号线表示为逻辑 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, 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 RXDTXD 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,如果您在前面被这些信号弄得晕头转向,那就直接忽略它们吧。

  (2)、电平标准

  根据通讯使用的电平标准不同,串口通讯可分为 TTL 标准、 RS-232 标准、RS485标准、RS422标准。

 

  RS232、RS485、RS422的区别如下:

  5.2、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,其组成见下图:

   (1)、波特率

  这里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,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 20-6 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48009600115200 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 0.511.5 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 567 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。                               
posted @ 2019-09-25 21:58  孤情剑客  阅读(5024)  评论(2编辑  收藏  举报