第六讲_串口通信原理及操作流程
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第四步
第三步
说出同学B 的名字或学 号
提 问
实例3
老师让学习委员来取作业本的两种方式
(1) 老师等着学习委员来取
(2)
将作业本放在办公桌上，学习委员自己来取
串行通信基础知识
1.1 串行通信与并行通信 1.2 异步通信与同步通信 1.3 串行通信的传输方向 1.4 信号的调制与解调 1.5 串行通信的错误校验 1.6 传输速率与传输距离
RS-232C RS-232C
电话网 DTE DCE DCE DTE
调制解调的方式有多种，这里调频为例： 通过数字信号对二个不同频率的正弦载波信号的键 控和信号的合成实现。
高频 正弦 信号 模拟 电子开 关 频带信 号输出 低频 正弦 信号 数字信号 10101010 模拟 电子开 关 合成
1
0
1
由于M进制的一个码元可以用 log2 M个二进制码 元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下， M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之 间有以下转换关系： 信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它 表示单位时间内传递的平均信息量或比特数， 单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。
2 串行通信总线标准及其接口
2.1 RS-232C接口
用于串行通讯的标准。 规定采用一个25 个脚的DB-25 连接器 对连接器的每个引脚的信号加以规定 对各种信号的电平加以规定。 IBM 将RS232 简化成了DB-9 连接器 工业控制的RS-232 一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线。
1.6 传输速率与传输距离
码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等 。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是 波特（Baud），记为B。
• 例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。
数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率 与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:
1 RB = ( B) T
1.3 串行通信的传输方向
①单工
发送 TXD RXD 接收
②半双工
发 送 接 收 TXD / RXD
接 收
发 送
③全双工
发送 TXD RXD RXD TXD
接收
发送
接收
1.4 信号的调制与解调
调制器（Modulator）：把数字信号转换成模拟信 号，然后送到通信线路上去。 解调器（Demodulator）：把从通信线路上收到的 模拟信号转换成数字信号。 调制解调器MODEM：由于通信是双向的，调制器和 解调器合并在一个装置中。
TTL 电平
双向仅需2条线
TTL 电平
RS-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞 线的结构。 普通的PC机一般不带RS485接口，因此要使用 RS-232C/RS-485转换器。对于单片机可以 通过芯片MAX485来完成TTL/RS-485的电平 转换。 在计算机和单片机组成的RS-485通信系统中， 下位机由单片机系统组成，上位机为普通的PC机， 负责监视下位机的运行状态，并对其状态信息进 行集中处理，以图文方式显示下位机的工作状态 以及工业现场被控设备的工作状况。系统中各节 点（包括上位机）的识别是通过设置不同的站地 址来实现的。
2.3 RS-485接口
RS-485是RS-422A的变型 ：RS-422A用于全双工，而 RS-485则还可用于半双工。 RS-485是一种多发送器标准 ，在通信线路上最多可以使用 32 对差分驱动器/接收器。 RS-485的信号传输采用 两线间的电压来表示逻辑1和逻 辑0。由于发送方需要两根传输 线，接收方也需要两根传输线 。传输线采用差动信道，所以 它的干扰抑制性极好，又因为 它的阻抗低，无接地问题，所 以传输距离可达1200米，传 输速率可达1Mbps。
RS-422A接口
SN75174 +5V SN75175
TTL 电平
+5V
双向需4条线
TTL 电平
SN75175
SN75174
RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑 “1”状态，另一条线就为逻辑“0”，比采用单端不平衡驱动对电压 的放大倍数大一倍。 差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨 200mV以上电位差。若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放 大器的作用，可使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地 线干扰和电磁干扰的影响。 RS-422A传输速率（90Kbps）时，传输距离可达1200米。
串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距 离与传输速率及传输线的电气特性有关。当传输 线使用每0.3m（约1英尺）有50PF电容的非平 衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而 减小。当比特率超过1000 bps 时，最大传输距 离迅速下降，如9600 bps 时最大距离下降到只 有76m（约250英尺）。
发 送 0 11100110 设 备
：
步通信的数据格异式
一个字符帧 空 闲 起 始 位 数据位
中断的概念
校 验 位
停 止 位
空 闲
下一字符 起始位
LSB
MSB
异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致， 实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位 用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。
RS-232 & RS-422 & RS-485 比较
类型 信号类型 通讯方式 距离 RS-232 单端 全双工 15M@9600bps TxD, RxD, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, GND 高 (8 线) 两台 弱 容易 RS-422 差分 全双工 1.2KM@9600bps TxA, TxB, RxA, RxB, GND 中等 (5 线) 两台 或 十台 强 难 RS-485 4线 差分 全双工 1.2KM@9600bps TxA, TxB, RxA, RxB, GND 中等 (5 线) 32台 强 难 RS-485 2线 差分 半双工 1.2KM@9600bps
串行通信与并行通信
在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式：并行通 信和串行通信。 并行通信，即数据的各位同时传送；串行通信，即数据一位一 位顺序传送。
发送
GND (a)
…
计算机1
计算机2 或外设 GND
计算机1 GND
接收
计算机2 或外设 GND
(b)
并行通信
串行通信
串行通信 通信距离 远
信号定义
DataA, DataB, GND
并行通信 近
抗干扰能力
传输速度 成本
高
慢 低
低
快 高
异步通信与同步通信
1.异步通信 异步通信是指通信的发送与接收设备使 用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。 为使双方的收发协调，要求发送和接收设 备的时钟尽可能一致。
间隙任意 接 收 10100100 设 备
1 0 10100100 1 0 11100110 1
典型应用: PC + 直连电缆 + Modem
TXD 计 RXD 算 机 甲
TXD RXD 计 算 机 乙
计 算 机 甲
TXD RXD 4 5 6 20
TXD RXD 4 计 5 算 6 机 20 乙
近程通信连接
RS-232C接口存在的问题
1
2
3
传输距离短 ，传输速率 低
有电平偏移
抗干扰能力 差
同步通信
建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使 双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距 离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不 留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。
计 算 机 甲
0 1 1 0 1
数据 时钟
时钟
计 算 机 乙
计 算 机 甲
数据
0 1 1 0 1
百度文库
数据+时钟
计 算 机 乙
C51串口通信时一个比特是一个码元，所以波特率 等同于比特率，即每秒钟传输二进制代码的位数 ，单位是：位／秒（bps）。
如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含 10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)， 这时的比特率为： 10位×240个/秒 = 2400 bps
传输距离与传输速率的关系
1
13
1
5
14
25
6
9
笔记本通过本设备 可连接到串口鼠标、各种串口设备， PLC、POS、门禁、检测、 通讯用仪器仪表等 串口232接口的外设。
电气特性、逻辑电平
EIA-RS-232C对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能 都作了规定。 在TxD和RxD上：逻辑1=-3V～-15V 逻辑0=+3～＋15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15V
电话线
远程通信连接
RS-232 连接类型 I
DTE 信号 TxD RxD RTS CTS DTR DSR DCD GND 接线 DTE信号 TxD RxD RTS CTS DTR DSR DCD GND
典型应用: PC + 交叉电缆 + PC
RS-232 连接类型 II
DTE 信号 TxD RxD RTS CTS DTR DSR DCD GND 接线 DCE 信号 RxD TxD CTS RTS DSR DTR DCD GND
1.5串行通信的错误校验
1、奇偶校验 在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。 奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应 为奇数；偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个 数之和应为偶数。接收字符时，对“1”的个数进行校验， 若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。 2、代码和校验 代码和校验是发送方将所发数据块求和（或各字节异或）， 产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。接 收方接收数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字 节异或），将所得结果与发送方的“校验和”进行比较，相 符则无差错，否则即认为传送过程中出现了差错。 3、循环冗余校验 这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的 循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区完整性校验等 。这种校验方法纠错能力强，广泛应用于同步通信中。
RS-232 信号传输
D0 D7
……
UAR T
StopParity Start Data
Data
Start
StopParity
Data
Start
收发器
Parity Stop Start Data Parity Stop
5V
+12V
并行
TTL
0V
RS-232
-12V
+12或者-12V?
RS-232信号传输及信号波形
RS-232信号传输及信号波形
功能特性
X=213 -N
X=216 -N
X=213 -N
X=213 -N
X=216 -N
过程特性
过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正 确地接收和发送数据 。
TXD 计 算 机 RXD RTS DSR M O D E M M O D E M TXD RXD RTS DSR 计 算 机
面向位的同步格式 ：
8位 01111110 8位 地址场 8位 控制场 ≥0位 信息场 16位 校验场 8位 01111110
将数据块看作数据流，并用序列01111110作为开始和结 束标志。为了避免在数据流中出现序列01111110时引起 的混乱，发送方总是在其发送的数据流中每出现5个连续的1 就插入一个附加的0；接收方则每检测到5个连续的1并且其 后有一个0时，就删除该0。 典型的面向位的同步协议如ISO的高级数据链路控制规程 HDLC和IBM的同步数据链路控制规程SDLC。 同步通信的特点是以特定的位组合“01111110”作为 帧的开始和结束标志，所传输的一帧数据可以是任意位。所 以传输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。
外同步
自同步
同步通信
SYN SYN SOH 标题 STX 数据块 ETB/ETX 块校验
SOH（01H）：表示标题的开始 标题：中包含源地址、目标地址和路由指示等信息 STX（02H），表示传送的数据块开始 组终字符ETB（17H）或文终字符ETX（03H）。 校验码 典型的面向字符的同步规程:IBM的二进制同步规程BSC
第六讲串口通信原理及操作流程
曾铁军
主要内容
1 2
串行通信基础知识
串行通信总线标准及其接口
3 4
MCS-51的串行接口
51单片机串口应用举例
实例1
信息编码：文字 信息载体：文字、 纸张 信息传送方式： 邮递员
实例2
第一步 第二步 提问 说出同学A的名字或学号
课堂上老师先让同学A、 再让同学B回答问题的 过程？
第三步
说出同学B 的名字或学 号
提 问
实例3
老师让学习委员来取作业本的两种方式
(1) 老师等着学习委员来取
(2)
将作业本放在办公桌上，学习委员自己来取
串行通信基础知识
1.1 串行通信与并行通信 1.2 异步通信与同步通信 1.3 串行通信的传输方向 1.4 信号的调制与解调 1.5 串行通信的错误校验 1.6 传输速率与传输距离
RS-232C RS-232C
电话网 DTE DCE DCE DTE
调制解调的方式有多种，这里调频为例： 通过数字信号对二个不同频率的正弦载波信号的键 控和信号的合成实现。
高频 正弦 信号 模拟 电子开 关 频带信 号输出 低频 正弦 信号 数字信号 10101010 模拟 电子开 关 合成
1
0
1
由于M进制的一个码元可以用 log2 M个二进制码 元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下， M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之 间有以下转换关系： 信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它 表示单位时间内传递的平均信息量或比特数， 单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。
2 串行通信总线标准及其接口
2.1 RS-232C接口
用于串行通讯的标准。 规定采用一个25 个脚的DB-25 连接器 对连接器的每个引脚的信号加以规定 对各种信号的电平加以规定。 IBM 将RS232 简化成了DB-9 连接器 工业控制的RS-232 一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线。
1.6 传输速率与传输距离
码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等 。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是 波特（Baud），记为B。
• 例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。
数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率 与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:
1 RB = ( B) T
1.3 串行通信的传输方向
①单工
发送 TXD RXD 接收
②半双工
发 送 接 收 TXD / RXD
接 收
发 送
③全双工
发送 TXD RXD RXD TXD
接收
发送
接收
1.4 信号的调制与解调
调制器（Modulator）：把数字信号转换成模拟信 号，然后送到通信线路上去。 解调器（Demodulator）：把从通信线路上收到的 模拟信号转换成数字信号。 调制解调器MODEM：由于通信是双向的，调制器和 解调器合并在一个装置中。
TTL 电平
双向仅需2条线
TTL 电平
RS-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞 线的结构。 普通的PC机一般不带RS485接口，因此要使用 RS-232C/RS-485转换器。对于单片机可以 通过芯片MAX485来完成TTL/RS-485的电平 转换。 在计算机和单片机组成的RS-485通信系统中， 下位机由单片机系统组成，上位机为普通的PC机， 负责监视下位机的运行状态，并对其状态信息进 行集中处理，以图文方式显示下位机的工作状态 以及工业现场被控设备的工作状况。系统中各节 点（包括上位机）的识别是通过设置不同的站地 址来实现的。
2.3 RS-485接口
RS-485是RS-422A的变型 ：RS-422A用于全双工，而 RS-485则还可用于半双工。 RS-485是一种多发送器标准 ，在通信线路上最多可以使用 32 对差分驱动器/接收器。 RS-485的信号传输采用 两线间的电压来表示逻辑1和逻 辑0。由于发送方需要两根传输 线，接收方也需要两根传输线 。传输线采用差动信道，所以 它的干扰抑制性极好，又因为 它的阻抗低，无接地问题，所 以传输距离可达1200米，传 输速率可达1Mbps。
RS-422A接口
SN75174 +5V SN75175
TTL 电平
+5V
双向需4条线
TTL 电平
SN75175
SN75174
RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑 “1”状态，另一条线就为逻辑“0”，比采用单端不平衡驱动对电压 的放大倍数大一倍。 差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨 200mV以上电位差。若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放 大器的作用，可使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地 线干扰和电磁干扰的影响。 RS-422A传输速率（90Kbps）时，传输距离可达1200米。
串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距 离与传输速率及传输线的电气特性有关。当传输 线使用每0.3m（约1英尺）有50PF电容的非平 衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而 减小。当比特率超过1000 bps 时，最大传输距 离迅速下降，如9600 bps 时最大距离下降到只 有76m（约250英尺）。
发 送 0 11100110 设 备
：
步通信的数据格异式
一个字符帧 空 闲 起 始 位 数据位
中断的概念
校 验 位
停 止 位
空 闲
下一字符 起始位
LSB
MSB
异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致， 实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位 用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。
RS-232 & RS-422 & RS-485 比较
类型 信号类型 通讯方式 距离 RS-232 单端 全双工 15M@9600bps TxD, RxD, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, GND 高 (8 线) 两台 弱 容易 RS-422 差分 全双工 1.2KM@9600bps TxA, TxB, RxA, RxB, GND 中等 (5 线) 两台 或 十台 强 难 RS-485 4线 差分 全双工 1.2KM@9600bps TxA, TxB, RxA, RxB, GND 中等 (5 线) 32台 强 难 RS-485 2线 差分 半双工 1.2KM@9600bps
串行通信与并行通信
在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式：并行通 信和串行通信。 并行通信，即数据的各位同时传送；串行通信，即数据一位一 位顺序传送。
发送
GND (a)
…
计算机1
计算机2 或外设 GND
计算机1 GND
接收
计算机2 或外设 GND
(b)
并行通信
串行通信
串行通信 通信距离 远
信号定义
DataA, DataB, GND
并行通信 近
抗干扰能力
传输速度 成本
高
慢 低
低
快 高
异步通信与同步通信
1.异步通信 异步通信是指通信的发送与接收设备使 用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。 为使双方的收发协调，要求发送和接收设 备的时钟尽可能一致。
间隙任意 接 收 10100100 设 备
1 0 10100100 1 0 11100110 1
典型应用: PC + 直连电缆 + Modem
TXD 计 RXD 算 机 甲
TXD RXD 计 算 机 乙
计 算 机 甲
TXD RXD 4 5 6 20
TXD RXD 4 计 5 算 6 机 20 乙
近程通信连接
RS-232C接口存在的问题
1
2
3
传输距离短 ，传输速率 低
有电平偏移
抗干扰能力 差
同步通信
建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使 双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距 离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不 留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。
计 算 机 甲
0 1 1 0 1
数据 时钟
时钟
计 算 机 乙
计 算 机 甲
数据
0 1 1 0 1
百度文库
数据+时钟
计 算 机 乙
C51串口通信时一个比特是一个码元，所以波特率 等同于比特率，即每秒钟传输二进制代码的位数 ，单位是：位／秒（bps）。
如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含 10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)， 这时的比特率为： 10位×240个/秒 = 2400 bps
传输距离与传输速率的关系
1
13
1
5
14
25
6
9
笔记本通过本设备 可连接到串口鼠标、各种串口设备， PLC、POS、门禁、检测、 通讯用仪器仪表等 串口232接口的外设。
电气特性、逻辑电平
EIA-RS-232C对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能 都作了规定。 在TxD和RxD上：逻辑1=-3V～-15V 逻辑0=+3～＋15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15V
电话线
远程通信连接
RS-232 连接类型 I
DTE 信号 TxD RxD RTS CTS DTR DSR DCD GND 接线 DTE信号 TxD RxD RTS CTS DTR DSR DCD GND
典型应用: PC + 交叉电缆 + PC
RS-232 连接类型 II
DTE 信号 TxD RxD RTS CTS DTR DSR DCD GND 接线 DCE 信号 RxD TxD CTS RTS DSR DTR DCD GND
1.5串行通信的错误校验
1、奇偶校验 在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。 奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应 为奇数；偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个 数之和应为偶数。接收字符时，对“1”的个数进行校验， 若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。 2、代码和校验 代码和校验是发送方将所发数据块求和（或各字节异或）， 产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。接 收方接收数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字 节异或），将所得结果与发送方的“校验和”进行比较，相 符则无差错，否则即认为传送过程中出现了差错。 3、循环冗余校验 这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的 循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区完整性校验等 。这种校验方法纠错能力强，广泛应用于同步通信中。
RS-232 信号传输
D0 D7
……
UAR T
StopParity Start Data
Data
Start
StopParity
Data
Start
收发器
Parity Stop Start Data Parity Stop
5V
+12V
并行
TTL
0V
RS-232
-12V
+12或者-12V?
RS-232信号传输及信号波形
RS-232信号传输及信号波形
功能特性
X=213 -N
X=216 -N
X=213 -N
X=213 -N
X=216 -N
过程特性
过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正 确地接收和发送数据 。
TXD 计 算 机 RXD RTS DSR M O D E M M O D E M TXD RXD RTS DSR 计 算 机
面向位的同步格式 ：
8位 01111110 8位 地址场 8位 控制场 ≥0位 信息场 16位 校验场 8位 01111110
将数据块看作数据流，并用序列01111110作为开始和结 束标志。为了避免在数据流中出现序列01111110时引起 的混乱，发送方总是在其发送的数据流中每出现5个连续的1 就插入一个附加的0；接收方则每检测到5个连续的1并且其 后有一个0时，就删除该0。 典型的面向位的同步协议如ISO的高级数据链路控制规程 HDLC和IBM的同步数据链路控制规程SDLC。 同步通信的特点是以特定的位组合“01111110”作为 帧的开始和结束标志，所传输的一帧数据可以是任意位。所 以传输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。
外同步
自同步
同步通信
SYN SYN SOH 标题 STX 数据块 ETB/ETX 块校验
SOH（01H）：表示标题的开始 标题：中包含源地址、目标地址和路由指示等信息 STX（02H），表示传送的数据块开始 组终字符ETB（17H）或文终字符ETX（03H）。 校验码 典型的面向字符的同步规程:IBM的二进制同步规程BSC
第六讲串口通信原理及操作流程
曾铁军
主要内容
1 2
串行通信基础知识
串行通信总线标准及其接口
3 4
MCS-51的串行接口
51单片机串口应用举例
实例1
信息编码：文字 信息载体：文字、 纸张 信息传送方式： 邮递员
实例2
第一步 第二步 提问 说出同学A的名字或学号
课堂上老师先让同学A、 再让同学B回答问题的 过程？