串口通信原理及操作流程培训课件

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
第六讲串口通信原理及操作流程
曾铁军
主要内容
1
串行通信基础知识
2 串行通信总线标准及其接口
3
MCS-51的串行接口
4
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
第二步
说出同学A的名字或学号 第一步
课堂上老师先让同学A、
提问
再让同学B回答问题的
过程？
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
8位 01111110
8位 地址场
8位 控制场
≥0位 信息场
16位
8位
校验场 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。
❖ RS-422A传输速率（90Kbps）时，传输距离可达1200米。
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
TTL
TTL
32 对差分驱动器/接收器。
电平
双向仅需2条线
典型应用: PC + 直连电缆 + Modem
TXD
计 RXD 算 机 甲
TXD
RXD 计 算 机 乙
TXD RXD 计4 算5 机6 甲 20
近程通信连接
TXD
RXD 4计 5算 6机 20 乙
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
SN75174
RS-422A接口
➢ 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
RS-232 信号传输
… …
D0 D7
并行
UAR T
StopParity Data Start
Start Data Parity Stop
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。
计 算机 1 GN D
…
计 算机 2 或 外设
GN D
(a)
并行通信
计 算机 1 GN D
发送 接收
计 算机 2 或 外设
GN D
(b)
串行通信
通信距离 抗干扰能力
传输速度 成本
串行通信 远 高 慢 低
并行通信 近 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。
接 收 设10100100 1 备
0 10100100 1
低 (3 线) 32台 强
难
难
难
80C51串行口的结构
SBUF
TXD 控制门
TH1 TL1
发送控制器 TI 去串口中断
1
A
÷16 ÷2
≥1
0
T1溢出率
SMOD
接收控制器 RI
SBUF
RXD 移位寄存器
➢ 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。
RS-232C
DCE DTE
电话网
RS-232C
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
低频 正弦 信号
数字信号 10101010
RS-485 2线 差分
全双工
全双工
半双工
1.2KM@9600bps
1.2KM@9600bps
1.2KM@9600bps
TxA, TxB, RxA, RxB, GND
TxA, TxB, RxA, RxB, GND
DataA, DataB, GND
中等 (5 线) 两台 或 十台
强
中等 (5 线) 32台 强
电平 ❖ 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-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞 线的结构。
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
接线
DCE 信号
TxD RxD RTS CTS DTR DSR DCD GND
RxD TxD CTS RTS DSR DTR DCD GND
❖ 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）。
第三步
说出同学B 的名字或学 号
第四步
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
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
面向位的同步格式 ：
5V
TTL 0V
收发器
StopParity Data Start
Start Data Parity Stop
+12V
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=216 -N
TXD 发送
RXD 接收
②半双工
发
接
送
TXD / RXD
收
接
发
收
送
③全双工
发送
接收
TXD RXD
RXD TXD
接收
发送
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。
X=213 -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
M
计 RXD
O
算 RTS 机
D E
DSR
M
电话线
TXD
M
O
RXD 计
D E
RTS 算 机
M
DSR
远程通信连接
RS-232 连接类型 I
DTE 信号 TxD RxD RTS CTS DTR DSR DCD GND
➢ 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。
1.3 串行通信的传输方向
①单工
模拟 电子开
关
模拟 电子开
关
合成
频带信 号输出
1 01
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 & RS-422 & RS-485 比较
类型
RS-232
信号类型
单端
通讯方式
全双工
距离 信号定义 接线成本
15M@9600bps
TxD, RxD, RTS, CTS, DTR, DSR,
DCD, GND
高 (8 线)
连接设备数
两台
抗干扰能力
弱
故障诊断
容易
RS-422 差分
RS-485 4线 差分
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。
01101
计 数据
计
算
算
机
机
甲 时钟
乙
时钟
计 数据 0 1 1 0 1
计
算
算
机 数据+时钟
机
甲
乙
外同步
自同步
同步通信
➢ 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。
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
+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。
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:
RB
=
1 (B) T
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。
间隙任意 发
送
0 11100110 1 0 1110011设0
备Leabharlann Baidu
：
步通信的数据格异式
起 空始 闲位
LSB
一个字符帧 数据位
中断的概念
校停 验止 位位
MSB
空 下一字符 闲 起始位
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。