串口通信文献综述

文献综述

引言

从计算机问世开始，串口通信技术就开始发展。采用计算机进行控制的各种设备通常都使用串口通信技术与计算机通信。随着现代信息技术的飞速发展和计算机网络的普遍，实现计算机通信的方式越来越多。考虑到现有网络和设备的状况，新技术的使用目前只能在部分领域和地区使用。而占主导地位的串行通信技术因其连接简单、使用灵活方便、数据传递可靠，造价低廉等优点，在工业监控、数据采集、智能控制和实时控制系统中得到普遍应用[1]。接下来将对串行通信做简要介绍，包括串行通信的方式、接口标准和通信协议。

1串行通信简介

串行通信是指通信的发送端和接收端之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制的0、1为最小单位逐位进行传输，如图1所示。

图1 串行通信

串行数据传输[2]的特点是：数据传输按位顺序进行，仅需一根传输线即可完成节省传输线。与并行通信相比，串行通信还有较为明显的优点：传输距离长，可以从几米到几千米；串行通信的通信时钟频率容易提高；串行通信的抗干扰能力十分强，其信号间的相互干扰完全可以忽略。但是串行通信的传输速度比并行通信慢得多。

正是串行通信的连线少、成本低，因此它在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用，产品也是多种多样。

1.1 串行通信的工作模式

通过单线传输信息是串行数据通信的基础。数据通常是在两个站(点对点)之间进行传输，按照数据流的方向可分为三种传输模式[3]：单工、半双工、全双工。

1.单工通信

单工模式的数据传输是单向的。通信双方中，一方固定为发送端，另一方则固定为接收端。信息只能沿一个方向传输，使用一根传输线。

单工模式一般用在只向一个方向传输数据的场合。例如计算机与打印机之间的通信是单工模式，因为只有计算机向打印机传输数据，而没有相反方向的数据传输。还有在某些通信信道中，如单工无线发送等。

2.半双工通信

半双工使用同一根传输线，既可发生数据又可接收数据，但不能同时进行发送和接收。

在任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因此半双工模式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线。

半双工通信中每一端需有一个收发切换电子开关，通过切换来决定数据向哪个方向传输。因为有切换，所以会产生时间延迟，信息传输效率低些。

3.全双工通信

全双工数据通信分别由两根可以在两个不同的站点同时发送和接收的传输线进行传输，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。

在全双工模式中，每一端都有发送器和接收器，有两条传输线，可在交互式应用和远程监控系统中使用，信息传输效率较高。

1.2 串口通信的方式

串口进行通信的方式有两种：同步通信方式和异步通信方式。同步通信方式要求通信双方以相同的时钟频率进行，而且准确协调，通过共享一个单个时钟或定时脉冲源保证发送方和接收方的准确同步，效率较高；异步通信方式不要求双方同步，收发方可采用各自的时钟源，双方遵循异步的通信协议，以字符为数据传输单位，发送方传送字符的时间间隔不确定，发送效率比同步传送效率低。

1.同步通信方式

同步通信的通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率。收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。但这时还有两种不同的同步方式。一种是

使用全网同步，用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步。另一种是使用准同步，各结点的时钟之间允许有微小的误差，然后采用其他措施实现同步传输。同步通信的好处是传输效率高，传输线布置简单、经济，但同步设备复杂，要获得精准的同步时钟较困难。

2.异步通信方式

异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。当然，接收端必须时刻做好接收的准备(如果接收端主机的电源都没有加上，那么发送端发送字符就没有意义，因为接收端根本无法接收)。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低(因为开始位和停止位的开销所占比例较大)。

1.3 串口通信的重要参数

串口的通信方式是将字节拆分成一个接着一个的位后再进行传输。接到此电位信号的一方将此一个一个的位组合成原来的字节，如此形成一个字节的完整传输。

在传输进行的过程中，双方明确传输信息的具体方式，否则双方就会没有一套共同的译码方式，从而无法了解对方所传输过来的信息的意义。因此双方为了进行通信，必须遵守一定的通信规则这个共同的规则就是串口的初始化。串口的初始化必须对以下几项参数进行设置。

1.波特率：这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。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比

2.数据位：这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，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127(7位)。扩展的ASCII码是0～255(8位)。如果数据使用简单的文本(标准ASCII码)，那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。

3.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。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，但是数据传输率同时也越慢。

4.校验位：在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。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位(数据位后面的一位)，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

2 串行接口标准简介

在进行串行通信的线路连接时，通常要解决两个问题。一是计算机与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接口标准，它包括电缆的机械特性、电气特性、信号功能及传输过程的定义。EIA RS-232、RS-422及RS-485标准所包含的接口电缆及连接器均属此类。二是按接口标准设置计算机与外设之间进行串行通信的接口电路。下面介绍常见的几种接口标准。

2.1 EIA RS-232c标准

目前RS-232[3]是PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。它是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口。通常RS-232 接口以9个接脚(DB-9) 或是25个接脚(DB-25) 的型态出现在一般个人计算机上﹐一般会有两组RS-232 接口，分别称为COM1 和COM2。

RS-232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C 总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。