1.1 串口通信的基本概念

1.1.1 并行通信與串行通信

終端與其他設(shè)備（例如其他終端、計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備）通過數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)傳輸可以通過兩種方式進(jìn)行：并行通信和串行通信。

1. 并行通信

在計(jì)算機(jī)和終端之間的數(shù)據(jù)傳輸通常是靠電纜或信道上的電流或電壓變化實(shí)現(xiàn)的。如果一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時(shí)被傳輸，這種傳輸方式稱為并行通信，如圖1-1所示。

并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是：各數(shù)據(jù)位同時(shí)傳輸，傳輸速度快、效率高，多用在實(shí)時(shí)、快速的場(chǎng)合。

并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度可以是1～128位，甚至更寬，但是有多少數(shù)據(jù)位就需要多少根數(shù)據(jù)線，因此傳輸?shù)某杀据^高。在集成電路芯片的內(nèi)部、同一插件板上各部件之間、同一機(jī)箱內(nèi)各插件板之間的數(shù)據(jù)傳輸都是并行的。

并行數(shù)據(jù)傳輸只適用于近距離的通信，通常傳輸距離小于30m。

2. 串行通信

串行通信是指通信的發(fā)送端和接收端之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線上，以每次一個(gè)二進(jìn)制的0、1為最小單位逐位進(jìn)行傳輸，如圖1-2所示。

串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸按位順序進(jìn)行，僅需要一根傳輸線即可完成，節(jié)省傳輸線。與并行通信相比，串行通信還有較為顯著的優(yōu)點(diǎn)：傳輸距離長(zhǎng)，可以從幾米到幾千米；串行通信的通信時(shí)鐘頻率容易提高；串行通信的抗干擾能力十分強(qiáng)，其信號(hào)間的互相干擾完全可以忽略。但是串行通信傳送速度比并行通信慢得多。

正是由于串行通信的連線少、成本低，因此它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)品也是多種多樣的。

1.1.2 串行通信的工作模式

通過單線傳輸信息是串行數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)通常是在兩個(gè)站（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）之間進(jìn)行傳輸，按照數(shù)據(jù)流的方向可分成三種傳輸模式：?jiǎn)喂ぁ腚p工、全雙工。

1. 單工模式

單工模式的數(shù)據(jù)傳輸是單向的。通信雙方中，一方固定為發(fā)送端，另一方則固定為接收端。信息只能沿一個(gè)方向傳輸，使用一根傳輸線，如圖1-3所示。

單工模式一般用在只向一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。例如計(jì)算機(jī)與打印機(jī)之間的通信是單工模式，因?yàn)橹挥杏?jì)算機(jī)向打印機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，而沒有相反方向的數(shù)據(jù)傳輸。還有在某些通信信道中，如單工無線發(fā)送等。

2. 半雙工模式

半雙工通信使用同一根傳輸線，既可發(fā)送數(shù)據(jù)又可接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。

在任何時(shí)刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)。因此半雙工模式既可以使用一條數(shù)據(jù)線，也可以使用兩條數(shù)據(jù)線，如圖1-4所示。

半雙工通信中每端需有一個(gè)收發(fā)切換電子開關(guān)，通過切換來決定數(shù)據(jù)向哪個(gè)方向傳輸。因?yàn)橛星袚Q，所以會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲。信息傳輸效率低些。

3. 全雙工形式

全雙工數(shù)據(jù)通信分別由兩根可以在兩個(gè)不同的站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接收的傳輸線進(jìn)行傳輸，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送和接收操作，如圖1-5所示。

在全雙工模式中，每一端都有發(fā)送器和接收器，有兩條傳輸線，可在交互式應(yīng)用和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中使用，信息傳輸效率較高。

1.1.3 異步傳輸與同步傳輸

在串行傳輸中，數(shù)據(jù)是一位一位地按照到達(dá)的順序依次進(jìn)行傳輸?shù)模课粩?shù)據(jù)的發(fā)送和接收都需要時(shí)鐘來控制。發(fā)送端通過發(fā)送時(shí)鐘確定數(shù)據(jù)位的開始和結(jié)束，接收端需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行采樣來正確地識(shí)別數(shù)據(jù)。接收端和發(fā)送端必須保持步調(diào)一致，否則就會(huì)在數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)差錯(cuò)。為了解決以上問題，串行傳輸可采用以下兩種方式：異步傳輸和同步傳輸。

1. 異步傳輸

在異步傳輸方式中，字符是數(shù)據(jù)傳輸單位。在通信的數(shù)據(jù)流中，字符之間異步，字符內(nèi)部各位間同步。異步通信方式的“異步”主要體現(xiàn)在字符與字符之間通信沒有嚴(yán)格的定時(shí)要求。在異步傳輸中，字符可以是連續(xù)地、一個(gè)個(gè)地發(fā)送，也可以是不連續(xù)地、隨機(jī)地單獨(dú)發(fā)送。在一個(gè)字符格式的停止位之后，立即發(fā)送下一個(gè)字符的起始位，開始一個(gè)新的字符的傳輸，這叫做連續(xù)的串行數(shù)據(jù)發(fā)送，即幀與幀之間是連續(xù)的。斷續(xù)的串行數(shù)據(jù)傳輸是指在一幀結(jié)束之后維持?jǐn)?shù)據(jù)線的“空閑”狀態(tài)，新的起始位可在任何時(shí)刻開始。一旦傳輸開始，組成這個(gè)字符的各個(gè)數(shù)據(jù)位將被連續(xù)發(fā)送，并且每個(gè)數(shù)據(jù)位持續(xù)的時(shí)間是相等的。接收端根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)與數(shù)據(jù)發(fā)送端保持同步，從而正確地恢復(fù)數(shù)據(jù)。收發(fā)雙方則以預(yù)先約定的傳輸速度，在時(shí)鐘的作用下，傳輸這個(gè)字符中的每一位。

2. 同步傳輸

在同步傳輸方式中，比特塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸，數(shù)據(jù)被封裝成更大的傳輸單位，稱為幀。每個(gè)幀中含有多個(gè)字符代碼，而且字符代碼與字符代碼之間沒有間隙以及起始位和停止位。和異步傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸單位的加長(zhǎng)容易引起時(shí)鐘漂移。為了保證接收端能夠正確地區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)流中的每個(gè)數(shù)據(jù)位，收發(fā)雙方必須通過某種方法建立起同步的時(shí)鐘。例如，可以在發(fā)送器和接收器之間提供一條獨(dú)立的時(shí)鐘線路，由線路的一端（發(fā)送器或者接收器）定期地在每個(gè)比特時(shí)間中向線路發(fā)送一個(gè)短脈沖信號(hào)，另一端則將這些有規(guī)律的脈沖作為時(shí)鐘。這種方法在短距離傳輸時(shí)表現(xiàn)良好，但在長(zhǎng)距離傳輸中，定時(shí)脈沖可能會(huì)和信息信號(hào)一樣受到破壞，從而出現(xiàn)定時(shí)誤差。另一種方法是通過采用嵌有時(shí)鐘信息的數(shù)據(jù)編碼位向接收端提供同步信息。

1.1.4 硬件握手與軟件握手

握手信號(hào)實(shí)際上是控制信號(hào)，用來控制數(shù)據(jù)的傳輸。通過握手信號(hào)，發(fā)送端可以得知接收端是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。接收端通過握手信號(hào)通知發(fā)送端它是否已經(jīng)準(zhǔn)備好了接收信號(hào)。握手信號(hào)遵循某種協(xié)議。

當(dāng)發(fā)送端和接收端處理數(shù)據(jù)的速度不一樣時(shí)，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。在傳輸中，如果發(fā)送端的發(fā)送速度大于接收端的接收速度，同時(shí)若接收端處理數(shù)據(jù)的速度不夠快的話，那么接收端的緩沖區(qū)必定在一定時(shí)間后溢出，從而造成以后發(fā)送過來的數(shù)據(jù)不能進(jìn)入緩沖區(qū)而丟失。發(fā)送端何時(shí)可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，何時(shí)必須暫停發(fā)送，從而讓接收端有時(shí)間處理數(shù)據(jù)，稱為流量控制，必須靠握手信號(hào)來解決這個(gè)問題。例如，打印機(jī)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，一些打印機(jī)打印速度可能跟不上計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，就必須要通過握手信號(hào)通知計(jì)算機(jī)暫停發(fā)送數(shù)據(jù)。

1. 硬件握手

在硬件握手中，發(fā)送端通過將某一個(gè)導(dǎo)線拉到高電平或者低電平，來表示發(fā)送端可以發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)之后，也把某一個(gè)導(dǎo)線拉到高電平或者是低電平，來通知發(fā)送端，發(fā)送端一直在檢測(cè)這個(gè)信號(hào)。接收端可以在任何時(shí)候把這個(gè)信號(hào)變?yōu)闊o效，甚至是在接收一個(gè)數(shù)據(jù)塊過程中。當(dāng)發(fā)送端檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)變?yōu)闊o效之后，就必須停止本次發(fā)送，直到這個(gè)信號(hào)變?yōu)橛行橹埂?/p>

2. 軟件握手

在軟件握手中，以數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)信號(hào)來代替實(shí)際的硬件電路。這種方法用在直接連接或者通過調(diào)制解調(diào)器連接的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行雙向通信的場(chǎng)合。

對(duì)于軟件握手現(xiàn)在已經(jīng)建立了一些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其中最常用的是通信協(xié)議。通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定，約定包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳輸速度、傳輸步驟、檢/糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守，也叫做通信控制規(guī)程或稱傳輸控制規(guī)程，它屬于OSI七層參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。

3. 硬件和軟件結(jié)合的握手方法

如果使用個(gè)人計(jì)算機(jī)或終端通過調(diào)制解調(diào)器和主計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，那么調(diào)制解調(diào)器使用硬件握手方法和個(gè)人計(jì)算機(jī)聯(lián)系，主計(jì)算機(jī)和調(diào)制解調(diào)器之間也使用硬件握手方法，主計(jì)算機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)之間將使用軟件握手方法進(jìn)行聯(lián)系。因此，個(gè)人計(jì)算機(jī)必須要編程，僅當(dāng)調(diào)制解調(diào)器的DSR（有時(shí)可能使用CD）線電位變高和軟件停止信號(hào)沒有收到時(shí)，軟件才送出一個(gè)通知信號(hào)。

一些計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)硬件握手信號(hào)，這些計(jì)算機(jī)等待硬件握手信號(hào)變高以后送出一個(gè)字符，所以程序只需要處理軟件握手信號(hào)。

1.1.5 串口通信的基本參數(shù)

串口的通信方式是將字節(jié)拆分成一個(gè)接著一個(gè)的位后再進(jìn)行傳輸。接到此電位信號(hào)的一方再將此一個(gè)一個(gè)的位組合成原來的字節(jié)，如此形成一個(gè)字節(jié)的完整傳輸。

在傳輸進(jìn)行的過程中，雙方明確傳輸信息的具體方式，否則雙方就會(huì)沒有一套共同的譯碼方式，從而無法了解對(duì)方所傳輸過來的信息的意義。因此雙方為了進(jìn)行通信，必須遵守一定的通信規(guī)則，這個(gè)共同的規(guī)則就是串口的初始化。

串口的初始化必須對(duì)以下幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1. 數(shù)據(jù)的傳輸速度

串行通信的傳輸受到通信雙方配備性能及通信線路的特性所控制，收發(fā)雙方必須按照同樣的速率進(jìn)行串行通信，即收發(fā)雙方采用同樣的波特率。我們通常將傳輸速度稱為波特率，指的是串行通信中每秒所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，單位是b/s。我們經(jīng)常可以看到儀器或Modem的規(guī)格書上都寫著19200b/s、38400b/s，…，所指的就是傳輸速度。

就儀器或工業(yè)場(chǎng)合來說，4800b/s、9600b/s是最常見的傳輸速度，現(xiàn)在的個(gè)人計(jì)算機(jī)所提供的串口的傳輸速度都可達(dá)到15200b/s（甚至達(dá)到921600b/s），若傳輸距離較近而設(shè)備也提供時(shí)，使用最高的傳輸速度也可以。

例如在某異步串行通信中，每傳輸一個(gè)字符需要8位，如果采用波特率4800b/s進(jìn)行傳輸，則每秒可以傳輸600個(gè)字符。

2. 數(shù)據(jù)的傳輸單位

一般串口所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是字符型，若用來傳輸文件，則會(huì)使用二進(jìn)制的數(shù)據(jù)形式。當(dāng)使用字符型時(shí)，工業(yè)界使用到的有ASCII字符碼及JIS字符碼；ASCII碼使用了8位形成一個(gè)字符，而JIS碼則以7位形成一個(gè)字符。我們可以發(fā)現(xiàn)，歐美的設(shè)備多使用8位的字節(jié)，而日本的設(shè)備多使用7位為一個(gè)字節(jié)。以實(shí)際的RS-232傳輸上看來，由于工業(yè)界常使用的PLC大多只是傳輸文字碼，因此只要7位就可以將ASCII碼的0～127碼表達(dá)出來（27=128，共有128種組合方式），所有的可見字符也在此范圍內(nèi)，所以只要7個(gè)數(shù)據(jù)位就夠了。不同的情形下（根據(jù)所使用的協(xié)議），會(huì)使用到不同的傳輸單位。使用多少位合成一個(gè)字節(jié)必須先行確定。

3. 起始位與停止位

由于異步串行傳輸中并沒有使用同步脈沖作為基準(zhǔn)，故接收端完全不知道發(fā)送端何時(shí)將進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。發(fā)送端準(zhǔn)備要開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端會(huì)在所送出的字符前后分別加上高電位的起始位（邏輯0）及低電位的停止位（邏輯1），它們分別是所謂的起始位和停止位，也就是說，當(dāng)發(fā)送端要開始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，便將傳輸線上的電位由低電位提升至高電位，而當(dāng)傳輸結(jié)束后，再將電位降至低電位。接收端會(huì)因起始位的觸發(fā)（因電壓由低電位升至高電位）而開始接收數(shù)據(jù)；并因停止位的通知（因電壓維持在低電位）而明確數(shù)據(jù)的字符信號(hào)已經(jīng)結(jié)束；加入了起始位及停止位才能比較容易達(dá)到多字符的接收能力。起始位固定為1位，而停止位則有1、1.5、2位等多種選擇，如何選擇呢？只要通信雙方協(xié)議通過即可，沒有強(qiáng)制規(guī)定。

4. 校驗(yàn)位

為了預(yù)防錯(cuò)誤的產(chǎn)生，使用校驗(yàn)位作為檢查的機(jī)制。校驗(yàn)位是用來檢查所傳輸數(shù)據(jù)的正確性的一種核對(duì)碼，又可分成奇校驗(yàn)與偶校驗(yàn)兩種，分別是檢查字符碼中1的數(shù)目是奇數(shù)或偶數(shù)。以偶校驗(yàn)為例，“A”的ASCII碼是41H（十六進(jìn)制），將它以二進(jìn)制表示時(shí)，是01000001，其中1的數(shù)目是2，因此校驗(yàn)位便是0，使1的數(shù)目保持偶數(shù)；同樣地，校驗(yàn)位是奇校驗(yàn)時(shí)，“A”的校驗(yàn)位便是1，使1的數(shù)目保持在奇數(shù)。接收端重新計(jì)算奇偶校驗(yàn)位，如果新的計(jì)算值正確，那么表示正常。如果新的計(jì)算值錯(cuò)誤，那么接收端就會(huì)發(fā)出一些指示，表示此次接收的數(shù)據(jù)有誤。