【通信协议】——串口通信

注：串口通信包括同步（UART）和异步（USART），开发中常用的为UART，所以本次也侧重介绍UART。

串口通信是一种设备非常常用的串行通信方式，因为他简单便捷，因此目前大部分电子产品都支持该通讯方式。产品开发中，工程师也常使用串口用来调试。

物理层

物理层负责数据的实际传输，即通过电缆、无线等媒介发送和接收比特流。

串口通信的物理层有很多标准及变种，通常使用RS-232、RS-485、TTL等标准。

我们拿RS-232举例

两个通讯设备的”D9接口“之间通过串口信号线建立起链接，串口信号线中使用”RS-232标准“传输数据信号。但是由于RS-232电平标准不能直接被控制器识别，所以这些信号会经过”电平转换芯片“转换成控制器能是写的”TTL标准“的电平信号。

电平标准

根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可以分为TTL标准及RS-232标准

通讯标准	电平标准(发送端)
5V TTL	逻辑1：2.4V-5V
	逻辑0：0~0.5V
RS-232	逻辑1：-15V~-3V
	逻辑0：+3V~+15V

常见的电子电路中常使用TTL的电平标准，理想状态下，使用5V表示二进制逻辑1，0V表示逻辑0；而为了增加串口通信的远距离传输及抗干扰能力，RS-232使用-15V为逻辑0，15V为逻辑1。

因为一般的控制器常采用TTL标准，所以需要”电平转换芯片“，常见的有MA3232对TTL与RS-232的信号进行转换。

RS-232信号线

我们常把RS232标准的接口称为COM口，也称为DB9接口。

• DCD：载波检测，用于DTE告知对方，本机是否收到对方的载波信号

• RXD：接收数据

• TXD：发送数据

• DTR：数据终端（DTE）就绪，用于DTE告知对方，本机是否准备好

• GND：地线

• DSR：数据设备就绪，用于DCR告知对方，本设备处于就绪状态

• RTS：请求发送，DTE请求DCR本设备向DCE端发送数据

• CTS：允许发送，DCE回复对方的RTS请求

• RI：响铃指示，表示DCE端与线路已连通

上述为DB9标准接法。

在目前的其它工业控制使用的串口通讯中，一般只使用RXD、TXD以及GND三条信号线，直接传输数据信号，而RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信号都被裁剪掉了。

协议层

串口通信的数据包有发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由起始位、数据位、校验位、停止位组成；通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据。

波特率

以串口异步通信为例（UART），异步通信中没有时钟信号（与CAN类似）是两个设置之间约定好波特率，及每个码元的长度。常见的波特率为9600、115200、4800等。

通讯的起始和停止信号

串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号有一个逻辑0的数据位表示，而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5、2个逻辑1的数据为表示。

有效数据

在数据包的起始位之后紧跟着的就是传输的主体数据内容，也成为有效数据，一般为5、6、7、8位。

数据校验

在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程中加上校验位来解决这个问题。常见的校验位有：奇偶校验、0校验、1校验或者无校验。

虽然本文章介绍了RS-232，但是USART/UART出书的是TTL电平信号，如果需要使用RS-232标准的信号需要加MAX3232等”电平转换“芯片。