[科普中国]-串口通信协议

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。

串口通信的基本原理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1。

有关规定波特率

串口异步通讯中由于没有时钟信号，所以通讯双方需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码。常见的波特率有4800、9600、115200等。

起始位、停止位

数据包从起始位开始，到停止位结束。起始信号用逻辑0的数据位表示，停止信号由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

有效数据

起始位之后便是传输的主体数据内容了，也称为有效数据，其长度一般被约定为5、6、7或8位长。

数据校验

由于在通讯过程中易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，所以在有效数据之后加上校验位解决。校验方法有奇校验（odd）、偶校验（even）、0校验（space）、1校验（mark）及无校验（noparity）。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，此时共有4个“1”，为达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的是8位有效数据加1位校验位，共9位。

而偶校验刚好相反，要求有效数据和校验位的“1”数量为偶数，则此时为达到偶校验效果，校验位为“0”。

而0校验则无论有效数据中是什么数据内容，校验位总是为“0”，1校验校验位总是为“1”。

常用协议RS-232RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英尺。

DB-9针连接头

从计算机串口截面图。RS-232针脚的功能：

数据：

TXD（pin 3）：串口数据输出(Transmit Data)

RXD（pin 2）：串口数据输入(Receive Data)

握手：

RTS（pin 7）：发送数据请求(Request to Send)

CTS（pin 8）：清除发送(Clear to Send)

DSR（pin 6）：数据发送就绪(Data Send Ready)

DCD（pin 1）：数据载波检测(Data Carrier Detect)

DTR（pin 4）：数据终端就绪(Data Terminal Ready)

地线：

GND（pin 5）：地线

其它

RI（pin 9）：铃声指示

RS-422RS-422（EIA RS-422-AStandard）是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号，RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，对比RS-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。

RS-485RS-485（EIA-485标准）是RS-422的改进，因为它增加了设备的个数，从10个增加到32个，同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力，你可以使用一个单个RS-485口建立设备网络。出色抗噪和多设备能力，在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时，串行连接会选择RS-485。RS-485是RS-422的超集，因此所有的RS-422设备可以被RS-485控制。RS-485可以用超过4000英尺的线进行串行通行。

DB-9 引脚连接

--------------

\ 1 2 3 4 5 /

\ 6 7 8 9 /

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从计算机连出的线的截面。

RS-485的引脚的功能

数据：1（DATA-) 2(DATA+)

地线：5

握手RS-232通信方式允许简单连接三线：Tx、Rx和地线。但是对于数据传输，双方必须对数据定时采用使用相同的波特率。尽管这种方法对于大多数应用已经足够，但是对于接收方过载的情况这种使用受到限制。这时需要串口的握手功能。在这一部分，我们讨论三种最常用的RS-232握手形式：软件握手、硬件握手和Xmodem。

a，软件握手：我们讨论的第一种握手是软件握手。通常用在实际数据是控制字符的情况，类似于GPIB使用命令字符串的方式。必须的线仍然是三根：Tx，Rx和地线，因为控制字符在传输线上和普通字符没有区别，函数SetXModem允许用户使用或者禁止用户使用两个控制字符XON和XOFF。这些字符在通信中由接收方发送，使发送方暂停。

例如：假设发送方以高波特率发送数据。在传输中，接收方发现由于CPU忙于其他工作，输入buffer已经满了。为了暂时停止传输，接收方发送XOFF，典型的值是十进制19，即十六进制13，直到输入buffer空了。一旦接收方准备好接收，它发送XON，典型的值是十进制17，即十六进制11，继续通信。输入buffer半满时，LabWindows发送XOFF。此外，如果XOFF传输被打断，LabWindows会在buffer达到75%和90%时发送XOFF。显然，发送方必须遵循此守则以保证传输继续。

b，硬件握手：第二种是使用硬件线握手。和Tx和Rx线一样，RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一个作为输出，另一个作为输入。第一组线是RTS（Request to Send）和CTS（Clear toSend）。当接收方准备好接收数据，它置高RTS线表示它准备好了，如果发送方也就绪，它置高CTS，表示它即将发送数据。另一组线是DTR（DataTerminal Ready）和DSR（Data SetReady）。这些线主要用于Modem通信。使得串口和Modem通信他们的状态。例如：当Modem已经准备好接收来自PC的数据，它置高DTR线，表示和电话线的连接已经建立。读取DSR线置高，PC机开始发送数据。一个简单的规则是DTR/DSR用于表示系统通信就绪，而RTS/CTS用于单个数据包的传输。

在LabWindows，函数SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。如果CTS模式使能，LabWindows使用如下规则：

当PC发送数据：

RS-232库必须检测CTS线高后才能发送数据。

当PC接收数据：

如果端口打开，且输入队列有空接收数据，库函数置高RTS和DTR。

如果输入队列90%满，库函数置低RTS，但使DTR维持高电平。

如果端口队列近乎空了，库函数置高RTS，但使DTR维持高电平。

如果端口关闭，库函数置低RTS和DTR。

c，XModem握手：最后讨论的握手叫做XModem文件传输协议。这个协议在Modem通信中非常通用。尽管它通常使用在Modem通信中，XModem协议能够直接在其他遵循这个协议的设备通信中使用。在LabWindows中，实际的XModem应用对用户隐藏了。只要PC和其他设备使用XModem协议，在文件传输中就使用LabWindows的XModem函数。函数是XModemConfig，XModemSend和XModemReceive。

XModem使用介于如下参数的协议：start_of_data、end_of_data、neg_ack、wait_delay、start_delay、max_tries、packet_size。这些参数需要通信双方认定，标准的XModem有一个标准的定义：然而，可以通过XModemConfig函数修改，以满足具体需要。这些参数的使用方法由接收方发送的字符neg_ack确定。这通知发送方其准备接收数据。它开始尝试发送，有一个超时参数start_delay；当超时的尝试超过max_ties次数，或者收到接收方发送的start_of_data，发送方停止尝试。如果从发送方收到start_of_data，接收方将读取后继信息数据包。包中含有包的数目、包数目的补码作为错误校验、packet_size字节大小的实际数据包，和进一步错误检查的求和校验值。在读取数据后，接收方会调用wait_delay，然后向发送方发送响应。如果发送方没有收到响应，它会重新发送数据包，直到收到响应或者超过重发次数的最大值max_tries。如果一直没有收到响应，发送方通知用户传输数据失败。

由于数据必须以pack_size个字节按包发送，当最后一个数据包发送时，如果数据不够放满一个数据包，后面会填充ASCII码NULL（0）字节。这导致接收的数据比原数据多。在XModem情况下一定不要使用XON/XOFF，因为XModem发送方发出包的数目很可能增加到XON/OFF控制字符的值，从而导致通信故障。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学