串口通信初识

1. 概述

在通信学科和计算机科学中，Serial communication（串行通信，NOT串口通信，应区分清楚）是一个General的概念（相对并行通信（Parallel communication）来说的），泛指所有的串行的通信协议，如 RS-232、USB、I2C、SPI、1-Wire（？）、Ethernet等。如下图（图片转自知乎）：

 

串行通信又可分为同步和异步。

1）发送端在发送串行数据的同时，提供一个时钟信号，并按照一定的约定（举个栗子，在时钟信号的上升沿的时发送数据）发送数据，接收端根据发送端提供的时钟及协议内的其他内容，接收数据。这是同步串行通信（Synchronous serial communication）。I2C、SPI 等有时钟信号的协议，都属于这种通信方式；

2）发送端在数据发送之前及之后，通过特定形式的信号（例如START和STOP信号），告诉接收端，可以开始/停止接收数据了。与此同时，收发两方会约定一个数据发送的速度（即波特率，事实上波特率也带来了类似时钟的信号），发送端在发送START信号之后，就按照固定的节奏发送串行数据；同样，与此同时，接收端在收到START信号之后，也按照固定的节奏接收串行数据。这就是异步串行通信（Asynchronous serial communication）。串口通信，属于这种通信方式。

 

2. 几个容易混淆概念

‘串口’ ‘COM口’ ‘UART’ 等是指硬件，即某种物理接口形式；而如TTL、RS-232、RS-485是指某种通信电平标准。

【常用芯片】

PL2303、CP2102等芯片是USB转TTL串口的芯片，用USB来扩展串口（TTL电平）。

MAX232是TTL电平与RS-232电平的专用双向转换芯片。

附，TTL标准是低电平为0，高电平为1（+5V电平）；RS-232 标准是正电平为 0，负电平为 1（±15V电平）。RS-485 与 RS-232 类似，但是采用差分信号负逻辑。

 

嵌入式里面说的串口，一般是指UART口。UART有4个 pin（VCC, GND, RX, TX）, 使用 TTL 电平,  低电平为 0 (0V)，高电平为 1（3.3V或以上）。

下图为USB转RS-232串口：

 

3. 串口通信协议（时序）

 

UART，一种异步串口通信协议，协议如下图：

 

 

 

其中每 bit 意义如下：

起始位：先发出一个逻辑“0”的信号（拉低），表示传输字符开始。

数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以次来校验数据传送的正确性。

停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此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。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率也就越慢。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传输。

 

 

 

UART工作原理

      发送数据过程：空闲状态，线路处于高电平；当收到发送指令后，拉低线路的一个数据位的时间T，接着数据按低位到高位依次发送，数据发送完毕后，接着发送奇偶校验位和停止位，一帧数据发送完成。

      数据接收过程：空闲状态，线路处于高电平；当检测到线路的下降沿（高电平变为低电平）时说明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位接收数据，数据接收完毕后，接着接收并比较奇偶校验位是否正确，如果正确则通知后续设备接收数据或存入缓冲。

      由于UART是异步传输，没有传输同步时钟，为了保证数据的正确性，UART采用16倍数据波特率的时钟进行采样。每个数据有16个时钟采样，取中间的采样值，以保证采样不会滑码或误吗。一般UART一帧的数据位数为8，这样即使每个数据有一个时钟的误差，接收端也能正确地采样到数据。

      UART的接收数据时序为：

当检测到数据的下降沿时，表明线路上有数据进行传输，这时计数器CNT开始计数，当计数器为24=16+8时，采样的值为第0位数据；

当计数器的值为40时，采样的值为第一位数据，依次类推，进行后面6个数据的采样。

如果需要进行奇偶校验，则当计数器的值为152时，采样的值即为奇偶位；当计数器的值为168时，采样的值为“1”表示停止位，数据接收完成。

      一个标准的10位异步串行通信协议（1个起始位、1个停止位和8个数据位）收发时序，如下图所示：