串口通信原理详解232、422、485

本文介绍了串口通信的基本概念、数据格式、通信方式、典型的串口通信标准等。

串口通讯，RS232,RS485、停车位、奇校验、偶校验

1 串口通讯
串口通讯(Serial Communication)，是指外设和计算机间通过数据信号线、地线等传输数据的通信方式。
串口是一种接口标准，界面电气标准，无界面插件电缆和使用协议。
串口按电气标准和协议划分，包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

2 串口通信的数据格式

一个字符一个字符传输，每个字符一个接一个地传输，当传输一个字符时，总是从开始开始，以停止结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。
每个字符前面都有一个起始位置（低电平），字符本身由7位数据位组成，然后字符后面是一个验证位置（验证位置可以是奇怪的验证、偶尔验证或无验证位置），最后是一个或一个半或两个停止位置，停止位置后面是长空闲位置，停止位置和空闲位置规定为高电平。在实际传输过程中，每个人的信号宽度都与波特率有关。波特率越高，宽度越小。在传输之前，双方必须使用相同的波特率设置。

3 通讯方式
单工模式（Simplex Communication）数据传输是单向的。在通信双方中，一方固定为发送端，另一方固定为接收端。信息只能沿一个方向传输，并使用传输线。
半双工模式（Half Duplex）通信使用相同的传输线，可以发送和接收数据，但不能同时发送和接收。数据传输允许数据在两个方向传输，但只有一方随时发送数据，另一方接收数据。因此，半双工模式可以使用一条数据线或两条数据线。在半双工通信中，每端都需要一个电子开关，以确定数据传输到哪个方向。由于切换，时间延迟，信息传输效率低。
全双工模式（Full Duplex）通信允许数据同时向两个方向传输。因此，全双工通信是两种单工通信方式的结合，要求发送设备和接收设备具有独立的接收和发送能力。在全双工模式下，每端都有发送器和接收器，信息传输效率高。
显然，在其他参数相同的情况下，全双工传输速度比半双工快，效率高。

4 偶校验和奇校验
在标准ASCII码中，其最高位(b7)用作奇偶校验位。所谓奇偶校验，是指在代码传输过程中用查是否有错误的方法，一般分奇校验和偶校验。奇数验证规定：正确的代码字节中1的数量必须是奇数，如果不是奇数，则在最高水平b7加1；偶校验规定，正确代码字节中1的数量必须是偶数，如果不是偶数，则在最高位置b7添1。

5 停止位
停止位按长度计算。串行异步通信从计时开始，以单位时间为间隔（单位时间为波特率倒数），接受规定的数据位和奇偶校准位，并组装成字符并行字节；然后接收规定长度的停止位1。所以停止位是1，1.5是它的长度，即停止高电平保持1.五个单位的时间长度。一般来说，停止位有1、1.五、二单位时间三长。

6 波特率
波特率是每秒传输的数据位数。
波特率的单位是每秒比特数(bps)，常用单位还有:每秒千比特数Kbps，每秒比特数Mbps。典型的传输波特率为600bps，1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps。
PLC/PC最常用的波特率是9600bps，19200bps。PLC/PC或者当仪器与大屏幕通信时，最常用的波特率是600bps。

7 典型的串口通信标准
EIA RS232(通常简称“RS232”）: 1962年，美国电子工业协会(EIA)制定。
EIA RS通常简称485RS485”）: 1983年，美国电子工业协会(EIA)制定。

8 RS232串口
RS232是计算机和通信行业应用最广泛的串行接口。它以全双工的方式工作，需要三条线：地线、发送线和接收线。RS232只能实现点对点通信。
8.1 RS232串口缺点
●接口信号电平值高，接口电路芯片易损坏。
●最高波特率为19200bps。
●抗干扰能力差。
●传输距离有限，一般在15m以内。
●点对点通信只能实现。

8.2 RS定义232串口接口
RXD：接收数据，TXD：发送数据，GND/SG：信号地。
8.3 电脑DB9针接口定义
电脑DB9针接口很常见RS引脚定义如下：
2号脚：RXD(接收数据)
3号脚：TXD(发送数据)
5号脚：SG或GND(信号地)
其它脚：我们不需要

电脑RS232串口与仪表串口连接图： 

在9针串口接头中，公头和母头的管脚定义顺序不同，需要特别注意。那么，这些管脚有什么作用呢？9针和25针的功能如下图所示：

9 RS485串口
9.1 RS485串口特点
●RS485采用平衡发送和差分接收，具有良好的抗干扰能力，信号可传输数公里。
●RS485有两条线和四条线。采用四线系统时，只能实现点对多通信（即只能有一个主设备，其余为设备）。四线系统现在很少使用，现在更多的两线系统接线。
●两线制RS485只能半双工作，收发不能同时进行。
●RS485在同一总线上最多可连接32个结点，实现真正的多点通信，但一般采用主从通信方式，即主机带多个从机。
●因RS485接口具有良好的抗干扰能力、长传输距离和多站能力等优点，成为串行接口的首选。
9.2 485抑制共模干扰

9.3 RS定义485串口接口
A或Data (D )或 ：信号正；
B或Data-(D-)或：信号负。
9.4 计算机与RS485仪表通讯
计算机自带的串口只有RS232，没有RS如果计算机必须与485相匹配RS485串口仪表必须使用串口转换器或安装RS485串口转换卡后方可通信。
9.5 RS终端电阻485串口
●终端电阻一般不需要增加，只有在RS485通信距离超过100米的情况下，要在RS在485通信的开始和结束端增加终端电阻，RS典型的485终端电阻为120欧元。
●终端电阻是为了消除通信电缆中的信号反射。信号反射有两种：阻抗不连续和阻抗不匹配。
阻抗不连续，传输线末端的信号突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号会在这个地方引起反射。为了消除这种反射方法，必须在电缆的末端连接一个与电缆特性阻抗相同大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，通信电缆的另一端可以连接到相同大小的终端电阻。
信号反射的另一个原因是数据收发器和传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射主要表现在通信线路闲置时整个网络数据混乱。为了减弱反射信号对通信线路的影响，通常采用噪声抑制和增加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于相对较小的反射信号，通常采用增加偏置电阻的方法。

10 串口通信硬件的常见注意事项
●通信电缆端子必须牢固连接，不得松动，否则仪上位机的通信板可能会烧坏。
●不要带电拔插通信端子，否则仪表或上位机的通信板可能会烧坏，在拔插通信端子或连接通信线之前，必须关闭仪表电源。

●不要带电拔插通信端子，否则仪表或上位机的通信板可能会烧坏，在拔插通信端子或连接通信线之前，必须关闭仪表电源。
●通信屏蔽电缆最好选择双层隔离屏蔽电缆，其次选择单层屏蔽电缆，最好不要选择无屏蔽层的电缆，电缆屏蔽层必须能够完全屏蔽，一些质量差的电缆，屏蔽层非常松散，根本不能发挥屏蔽的作用。单层屏蔽的电缆屏蔽层应在一端接地，外层（包括盔甲）应在两端接地，内层屏蔽应在一端接地。
●仪表使用RS通信时，通信电缆长度不得超过15米。
●一般RS485协议的接头没有固定的标准，引脚顺序和管脚功能可能因制造商而异。用户可以查阅相关产品RS485的引脚图。
●RS阻力匹配和低衰减是485通信电缆的最佳选择RS485专用通信电缆（双绞线）不得使用普通双绞线电缆或质量差的通信电缆。由于普通电缆或质量差的通信电缆可能阻抗不匹配、衰减大、绞合不足、屏蔽层松动，干扰大，通信不良，甚至通信不良。
●仪表使用RS485通信时，每台仪器必须手拉手串联，无星形连接或分叉。如果有星形连接或分叉，干扰会很大，导致通信不畅，甚至无法通信。
●理论上，485总线的传输距离为1200米是指通讯线材优质达标，波特率9600，只有一台485设备才能使得通讯距离达到1200米，而且能通讯并不代表每次通讯都正常，所以通常485总线实际的稳定通讯距离远远达不到1200米。负载485设备多，线材阻抗不同时，通讯距离更短。
●仪表使用RS485通讯时，必要时，请接入终端电阻，以增强系统的抗干扰性，典型的终端电阻阻值是120欧。

11 串口通讯软件设置要点
11.1 有关通讯的一些基本概念
●主机与从机：在通讯系统中起主要作用、发布主要命令的称为主机，接受命令的称为从机。
●连续方式：指主机不需要发布命令，从机就能自动地向主机发送数据。
●指令方式：指主机向从机发布命令，从机根据指令执行动作，并将结果“应答”给主机的模式。
●输出数据类型：指在连续方式通讯时，从机输出给主机的数据类型。
●通讯协议：指主机与从机通讯时，按哪一种编码规则来通讯。
●波特率：主从机之间通讯的速度。
●数据位：每次传输数据时，数据由几位组成。
●校验位：数据传输错误检测，可以是奇校验、偶校验或无校验。
●地址：每一台从机的编号。
11.2 主从机之间通讯设置要点
●要点一：主/从RS232/485硬件有无设置正确，通讯线有无接对。有些通讯板卡是RS422与RS485共用的，依靠板上跳线来实现的，有些仪表RS232/485也需要通讯跳线来实现。
●要点二：主机上的通讯端口有无设置正确；超时（一般设置为2s）、通讯延时（一般设置为5～20ms)、ACK信号延时（一般设置为0ms)有无设置正确。
●要点三：主/从机通讯协议有无选择正确。
●要点四：主/从机波特率有无选择正确。
●要点五：主/从机数据位有无选择正确。数据位可以选择7位，8位。
●要点六：主/从机校验位有无选择正确。校验位一般可选择偶校验、奇校验、无校验。
●要点七：主/从机停止位有无选择正确。停止位可以选择1位、1.5位还是2位。
●要点八：从机地址有无选择正确。
●要点九：主/从机的通讯方式有无选择正确。

进行通讯测试的时候经常会进行线路测试，测试所用的串口线是否可用，方法有二如下：

1 把串口线接到不同的串口，用串口调试工具从一个串口发数据，另一个能正常收到说明串口线是OK的。

2 把串口线的一端短接（用金属把2,3号脚连通），用万用表测另一端的2,3号如果正常的话会有嘀嘀的短接报警声。