串口通信深度探究
1.1 串行接口簡(jiǎn)介
串行接口一般包括RS232/422/485，其技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，性能可靠，價(jià)格低廉；所要求的軟/硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境都很低，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域，如調(diào)制解調(diào)器（Modem）、串行打印機(jī)、各種監(jiān)控模塊、PLC、攝像頭云臺(tái)、數(shù)控機(jī)床、單片機(jī)及相關(guān)智能設(shè)備，甚至路由器也不例外（通過(guò)串口設(shè)置參數(shù)）。
在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，主控機(jī)一般采用PC或IPC，通過(guò)串口與測(cè)控模塊相連，測(cè)控模塊再連接相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行器，如此形成一個(gè)簡(jiǎn)單的雙層結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)主要用于單獨(dú)的中小型企業(yè)或部門(mén)，如果屬于綜合型企業(yè)或部門(mén)，如電力系統(tǒng)監(jiān)控，高速公路監(jiān)控和收費(fèi)系統(tǒng)，則可以此為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充，用集線(xiàn)器將眾多雙層監(jiān)控系統(tǒng)連接起來(lái)，再用交換機(jī)將若干集線(xiàn)器連接起來(lái)，統(tǒng)一接上路由器，從而與Internet互聯(lián)，如此即可形成一個(gè)龐大的計(jì)算機(jī)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。由此可見(jiàn)，盡管現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的新接口層出不窮，各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也日新月異，其規(guī)模也越來(lái)越大，但是，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)卻有不少是串行通信系統(tǒng)，串行通信也成了其中的核心技術(shù)。
1.1.1 串口通信的基本概念
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(guò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)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(xiàn)上同時(shí)被傳送，這種傳輸方式被稱(chēng)為并行通信，如圖5-1所示。
圖5-1 并行通信
并行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是：各數(shù)據(jù)位同時(shí)傳送，傳送速度快、效率高，多用在實(shí)時(shí)、快速的場(chǎng)合。
并行傳送的數(shù)據(jù)寬度可以是1位～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(xiàn)，因此，傳送的成本較高。在集成電路芯片的內(nèi)部、同一插件板上各部件之間以及同一機(jī)箱內(nèi)各插件板之間的數(shù)據(jù)傳送都是并行的。
并行數(shù)據(jù)傳送只適用于近距離的通信，通常小于30m。
（2）串行通信。
串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線(xiàn)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5-2所示。
圖5-2 串行通信
串行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是，數(shù)據(jù)傳送按位順序進(jìn)行，最少只需要一根傳輸線(xiàn)即可完成，節(jié)省傳輸線(xiàn)。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；在長(zhǎng)距離內(nèi)串行數(shù)據(jù)傳送速率會(huì)比并行數(shù)據(jù)傳送速率快；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，并行通信時(shí)間為T(mén)，則串行時(shí)間為NT。
正是由于串行通信的接線(xiàn)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)品也多種多樣。
2．串行通信的工作模式
通過(guò)單線(xiàn)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)行傳送，按照數(shù)據(jù)流的方向可分成3種傳送模式：單工、半雙工和全雙工。
（1）單工形式。
單工形式的數(shù)據(jù)傳送是單向的。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)方向傳送，使用一根傳輸線(xiàn)。如圖5-3所示。
圖5-3 單工形式
單工形式一般用在只向一個(gè)方向傳送數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。例如，計(jì)算機(jī)與打印機(jī)之間的通信是單工形式，因?yàn)橹挥杏?jì)算機(jī)向打印機(jī)傳送數(shù)據(jù)，而沒(méi)有相反的數(shù)據(jù)傳送。還有在某些通信信道中，如單工無(wú)線(xiàn)發(fā)送等。
（2）半雙工形式。
半雙工通信使用同一根傳輸線(xiàn)，既可發(fā)送數(shù)據(jù)又可接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)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)。因此半雙工形式既可以使用一條數(shù)據(jù)線(xiàn)，也可以使用兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)。如圖5-4所示。
圖5-4 半雙工形式
半雙工通信中每一端需有一個(gè)收/發(fā)切換電子開(kāi)關(guān)，通過(guò)切換來(lái)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。信息傳輸效率較低些。但是對(duì)于像打印機(jī)這樣單方向傳輸?shù)耐鈬O(shè)備，用半雙工方式就能滿(mǎn)足要求了，不必采用全雙工方式，可省一根傳輸線(xiàn)。
（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(xiàn)進(jìn)行傳送，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5-5所示。
圖5-5 全雙工形式
在全雙工方式中，每一端都有發(fā)送器和接收器，有兩條傳送線(xiàn)，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。
3．異步傳輸與同步傳輸
串行傳輸中，數(shù)據(jù)是一位一位按照到達(dá)的順序依次傳輸?shù)?#xff0c;每位數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都需要時(shí)鐘來(lái)控制。發(fā)送端通過(guò)發(fā)送時(shí)鐘確定數(shù)據(jù)位的開(kāi)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(lái)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(wèn)題，串行傳輸可以采用以下兩種方法：異步傳輸和同步傳輸。
（1）異步傳輸。
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(méi)有嚴(yán)格的定時(shí)要求。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)地進(jìn)行單獨(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(kāi)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)傳送是指在一幀結(jié)束之后維持?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn)的“空閑”狀態(tài)，新的起始位可在任何時(shí)刻開(kāi)始。一旦傳送開(kāi)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)先約定的傳輸速率，在時(shí)鐘的作用下，傳送這個(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(chēng)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(méi)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(guò)某種方法建立起同步的時(shí)鐘。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(xiàn)路，由線(xiàn)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(xiàn)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。這種技術(shù)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(guò)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。
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(lái)控制數(shù)據(jù)的傳送。通過(guò)握手信號(hào)，發(fā)送方可以通知接收方是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。接收方通過(guò)握手信號(hào)通知發(fā)送方它是否已經(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)送方和接收方處理數(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)送方的發(fā)送速度大于接收方的接收速度，同時(shí)接收方處理數(shù)據(jù)的速度不夠快的話(huà)，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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)不能進(jìn)入緩沖區(qū)而丟失。發(fā)送方何時(shí)可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，何時(shí)必須暫停發(fā)送，從而讓接收方有時(shí)間處理數(shù)據(jù)，這稱(chēng)為流量控制，必須靠握手信號(hào)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(guò)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)送方通過(guò)將某一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)拉到高電平或者低電平，來(lái)表示發(fā)送方可以發(fā)送數(shù)據(jù)。接收方已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)之后，也把某一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)拉到高電平或者是低電平，來(lái)通知發(fā)送方，發(fā)送方一直在檢測(cè)這個(gè)信號(hào)。接收方可以在任何時(shí)候把這個(gè)信號(hào)變?yōu)闊o(wú)效，甚至是在接受一個(gè)數(shù)據(jù)塊的過(guò)程中。當(dāng)發(fā)送方檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)變?yōu)闊o(wú)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А?/span>
（2）軟件握手。
在軟件握手中，以數(shù)據(jù)線(xiàn)上的數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)代替實(shí)際的硬件電路。這種方法用在直接連接或者通過(guò)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、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問(wèn)題作出統(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(chēng)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。
如果使用計(jì)算機(jī)或終端通過(guò)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)和計(jì)算機(jī)之間將使用軟件握手方法進(jìn)行聯(lián)系。因此，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(xiàn)電位變高和軟件停止信號(hào)沒(méi)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)。
5．串口通信的基本參數(shù)
串行端口的通信方式是將字節(jié)拆分成一個(gè)接著一個(gè)的位再傳送出去。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(lái)的字節(jié)，如此形成一個(gè)字節(jié)的完整傳送。
在傳輸進(jìn)行的過(guò)程中，雙方明確傳送信息的具體方式，否則雙方就沒(méi)有一套共同的譯碼方式，從而無(wú)法了解對(duì)方所傳過(guò)來(lái)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)則就是通信端口的初始化。
通信端口的初始化必須對(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硬件配備性能及通信線(xiàn)路的特性控制，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(chēng)為波特率，指的是串行通信中每一秒所傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，單位是bit/s。我們經(jīng)常可以看到儀器或Modem的規(guī)格書(shū)上都寫(xiě)著19 200bit/s、38 400bit/s，……，所指的就是傳輸速度。
就儀器或工業(yè)場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，4 800bit/s、9 600bit/s是最常見(jiàn)的傳輸速度，現(xiàn)在的個(gè)人計(jì)算機(jī)所提供的串行端口的傳輸速度都可以達(dá)到15 200bit/s（甚至達(dá)到921 600bit/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，每傳送一個(gè)字符需要8位，如果采用波特率4 800bit/s進(jìn)行傳送，則每秒可以傳送600個(gè)字符。
（2）數(shù)據(jù)的傳送單位。
一般串行通信端口所傳送的數(shù)據(jù)是字符型，若用來(lái)傳輸文件，則會(huì)使用二進(jìn)制的數(shù)據(jù)型。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(lái)，由于工業(yè)界常使用的PLC大多只是傳送文字碼，因此只要7位就可以將ASCII碼的0～127碼表達(dá)出來(lái)（2?7=128，共有128種組合方式），所有的可見(jiàn)字符也落在此范圍內(nèi)，所以只要7個(gè)數(shù)據(jù)位就夠了。不同的情況下（看所使用的協(xié)議），會(huì)使用到不同的傳送單位。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(méi)有使用同步脈沖作基準(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)的傳送。發(fā)送端準(zhǔn)備要開(kāi)始傳送數(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(shuō)，當(dāng)發(fā)送端要開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)時(shí)，便將傳輸線(xiàn)上的電位由低電位提升至高電位，而當(dāng)傳送結(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(kāi)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；當(dāng)加入了起始位及停止位才比較容易達(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(guò)即可，沒(méi)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(lái)檢查所傳送數(shù)據(jù)的正確性的一種核對(duì)碼，又分成奇校驗(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)。同樣的，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)。接收者重新計(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)收到一些指示，表示此次接收的數(shù)據(jù)有誤。
1.1.2 RS-232C串口通信標(biāo)準(zhǔn)
RS-232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（Electronic Industry Association），EIA于1962年公布，并于1969年修訂的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。它已經(jīng)成為國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)。1987年1月，RS-232C經(jīng)修改后，正式改名為EIA-232D。由于標(biāo)準(zhǔn)修改得并不多，因此現(xiàn)在很多廠(chǎng)商仍用舊的名稱(chēng)。
RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱(chēng)是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中RS（Recommended Standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C代表RS-232的最新一次修改（1969年），它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20 000bit/s范圍內(nèi)的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問(wèn)題，如信號(hào)電平、信號(hào)線(xiàn)功能、電氣特性、機(jī)械特性等都作了明確規(guī)定。
目前RS-232C已成為數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminal Equipment，DTE，如計(jì)算機(jī)）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（Data Communication Equipment，DCE，如Modem）的接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，
在IBM PC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。
利用RS-232C串行通信接口可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信；通過(guò)RS-232C接口可與其他外設(shè)（如打印機(jī)、邏輯分析儀、智能調(diào)節(jié)儀、PLC等）近距離串行連接；通過(guò)RS-232C接口連接調(diào)制解調(diào)器可遠(yuǎn)距離地與其他計(jì)算機(jī)通信；將RS-232C接口轉(zhuǎn)換為RS-422或RS-485接口，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)與多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信。
1．接口連接器
由于RS-232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25和DB-9各種類(lèi)型的連接器，其引腳的定義也各不相同。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上一般只提供DB-9連接器，都為公頭。相應(yīng)的連接線(xiàn)上的串口連接器也有公頭和母頭之分，如圖5-6所示。
作為多功能I/O卡或主板上提供的COM1和COM2兩個(gè)串行接口的DB-9連接器，它只提供異步通信的9個(gè)信號(hào)針腳，如圖5-7所示，各針腳的信號(hào)功能描述如表5-1所示。
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圖5-6 公頭與母頭串口連接器 圖5-7 DB9串口連接器
表5-1?9針串行口的針腳功能
| 針 腳 | 符 號(hào) | 通 信 方 向 | 功 能 |
| 1 | DCD | 計(jì)算機(jī)→調(diào)制解調(diào)器 | 載波信號(hào)檢測(cè) |
| 2 | RXD | 計(jì)算機(jī)→調(diào)制解調(diào)器 | 接收數(shù)據(jù) |
| 3 | TXD | 計(jì)算機(jī)→調(diào)制解調(diào)器 | 發(fā)送數(shù)據(jù) |
| 4 | DTR | 計(jì)算機(jī)→調(diào)制解調(diào)器 | 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 |
| 5 | GND | 計(jì)算機(jī) = 調(diào)制解調(diào)器 | 信號(hào)地線(xiàn) |
| 6 | DSR | 計(jì)算機(jī)→調(diào)制解調(diào)器 | 數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備好 |
| 7 | RTS | 計(jì)算機(jī)→調(diào)制解調(diào)器 | 請(qǐng)求發(fā)送 |
| 8 | CTS | 計(jì)算機(jī)→調(diào)制解調(diào)器 | 清除發(fā)送 |
| 9 | RI | 計(jì)算機(jī)→調(diào)制解調(diào)器 | 振鈴信號(hào)指示 |
RS-232的每一支腳都有它的作用，也有它信號(hào)流動(dòng)的方向。原來(lái)的RS-232是設(shè)計(jì)用來(lái)連接調(diào)制解調(diào)器作傳輸之用的，因此它的腳位意義通常也和調(diào)制解調(diào)器傳輸有關(guān)。
從功能來(lái)看，全部信號(hào)線(xiàn)分為3類(lèi)，即數(shù)據(jù)線(xiàn)（TXD、RXD）、地線(xiàn)（GND）和聯(lián)絡(luò)控制線(xiàn)（DSR、DTR、RI、DCD、RTS、CTS）。
以下是這9支腳的相關(guān)說(shuō)明。
· DCD-此腳位是由調(diào)制解調(diào)器（或其他DCE，以下同）控制。當(dāng)電話(huà)接通之后，傳送的信號(hào)被加載在載波信號(hào)上面，調(diào)制解調(diào)器利用此腳位通知計(jì)算機(jī)檢測(cè)到載波，而當(dāng)載波被檢測(cè)到時(shí)才可保證此時(shí)是處于連接的狀態(tài)。
一般情況下，如果計(jì)算機(jī)沒(méi)有收到此信號(hào)，仍會(huì)有所響應(yīng)，并將調(diào)制解調(diào)器掛起。
· RXD-此腳位負(fù)責(zé)將傳送過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)程信息進(jìn)行接收。在接收的過(guò)程中，由于信息是以數(shù)字形式傳送的，讀者可以在調(diào)制解調(diào)器的RXD指示燈上看到明滅交錯(cuò)，這是由于0、1交替導(dǎo)致的結(jié)果，也就是電位高低所產(chǎn)生的現(xiàn)象。
· TXD-此腳位負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)打算傳送出去的信息傳送出去。在傳送的過(guò)程中，由于信息是以數(shù)字形式傳送的，讀者可以在調(diào)制解調(diào)器的TXD指示燈上看到明滅交錯(cuò)，這是由于0、1交替導(dǎo)致的結(jié)果，也就是電位高低所產(chǎn)生的現(xiàn)象。
· DTR-此腳位由計(jì)算機(jī)（或其他DTE，以下同）控制，用以通知調(diào)制解調(diào)器可以進(jìn)行傳輸。高電位時(shí)表示計(jì)算機(jī)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，隨時(shí)可以接收信息。
· GND-此腳位為地線(xiàn)，作為計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器之間的參考基準(zhǔn)。兩端設(shè)備的地線(xiàn)準(zhǔn)位必須一樣，否則會(huì)產(chǎn)生地回路，使得信號(hào)因準(zhǔn)位的不同而產(chǎn)生偏移，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果失常。RS-232信息在傳輸上是采用單向式的信號(hào)傳送方式，其特點(diǎn)是信號(hào)的電壓基準(zhǔn)由參考地線(xiàn)提供，因此傳輸雙方的地線(xiàn)必須連接在一起，以避免基準(zhǔn)不同而造成信息的錯(cuò)誤。
· DSR-此腳位由調(diào)制解調(diào)器控制，調(diào)制解調(diào)器用這支腳位的高電位通知計(jì)算機(jī)一切均準(zhǔn)備就緒，可以把信息傳送過(guò)來(lái)。
· RTS-此腳位由計(jì)算機(jī)控制，用以通知調(diào)制解調(diào)器馬上傳送信息到計(jì)算機(jī)。而當(dāng)調(diào)制解調(diào)器收到此信號(hào)后，便會(huì)將它在電話(huà)線(xiàn)上收到的信息傳送給計(jì)算機(jī)，在此之前若有信息傳送到調(diào)制解調(diào)器則會(huì)暫存在緩沖區(qū)中。
· CTS-此腳位由調(diào)制解調(diào)器控制，用以通知計(jì)算機(jī)打算傳送的信息已經(jīng)到達(dá)調(diào)制解調(diào)器。當(dāng)計(jì)算機(jī)收到此腳位信號(hào)后，便把準(zhǔn)備送出的信息送到調(diào)制解調(diào)器，而調(diào)制解調(diào)器則將計(jì)算機(jī)送過(guò)來(lái)的信息通過(guò)電話(huà)線(xiàn)路送出。
· RI-調(diào)制解調(diào)器通知計(jì)算機(jī)有電話(huà)進(jìn)來(lái)，是否接聽(tīng)電話(huà)則由計(jì)算機(jī)決定。如果計(jì)算機(jī)設(shè)置調(diào)制解調(diào)器為自動(dòng)應(yīng)答模式，則調(diào)制解調(diào)器在聽(tīng)到一定的鈴響后便會(huì)自動(dòng)接聽(tīng)電話(huà)。
上述控制信號(hào)線(xiàn)何時(shí)有效，何時(shí)無(wú)效的順序表示了接口信號(hào)的傳送過(guò)程。例如，只有當(dāng)DSR和DTR都處于有效（ON）狀態(tài)時(shí)，才能在DTE和DCE之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送操作。若DTE要發(fā)送數(shù)據(jù)，則預(yù)先將DTR線(xiàn)置成有效（ON）狀態(tài)，等CTS線(xiàn)上收到有效（ON）狀態(tài)的回答后，才能在TXD線(xiàn)上發(fā)送串行數(shù)據(jù)。這種順序的規(guī)定對(duì)半雙工的通信線(xiàn)路特別有用，因?yàn)榘腚p工的通信確定DCE已由接收方向改為發(fā)送方向，這時(shí)線(xiàn)路才能開(kāi)始發(fā)送。
可以從表5-1了解到硬件線(xiàn)路上的方向。另外值得一提的是，如果從計(jì)算機(jī)的角度來(lái)看這些腳位的通信狀況的話(huà)，流進(jìn)計(jì)算機(jī)端的，可以看為數(shù)字輸入；而流出計(jì)算機(jī)端的，則可以看為數(shù)字輸出。
數(shù)字輸入與數(shù)字輸出的關(guān)系是什么呢？從工業(yè)應(yīng)用的角度來(lái)看，所謂的輸入就是用來(lái)“監(jiān)測(cè)”，而輸出就是用來(lái)“控制”的。
2．串口電氣特性
首先需要說(shuō)明的是，RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)最初是為遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminal Equipment，DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（Data Communication Equipment，DCE）而制定的，因此這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，并未考慮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。但目前它又廣泛地被借來(lái)用于計(jì)算機(jī)（更準(zhǔn)確的說(shuō)，是計(jì)算機(jī)接口）與終端或外設(shè)之間的近端連接標(biāo)準(zhǔn)。顯然，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的有些規(guī)定和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對(duì)這種背景的了解，我們對(duì)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)不兼容的地方就不難理解了。
其次是，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場(chǎng)上，而不是站在DCE的立場(chǎng)來(lái)定義的。由于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
EIA-RS-232C對(duì)電氣特性、邏輯電平和各種信號(hào)線(xiàn)功能都作了規(guī)定。
在TXD和RXD上：邏輯1為?3V～?15V； 邏輯0為+3～＋15V。
在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線(xiàn)上：
信號(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）為+3V～+15V。
信號(hào)無(wú)效（斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓）為?3V～?15V。
以上規(guī)定說(shuō)明了RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”的電平低于?3V，邏輯“0”的電平高于+ 3V。對(duì)于控制信號(hào)：接通狀態(tài)（ON）即信號(hào)有效的電平高于+3V，斷開(kāi)狀態(tài)（OFF）即信號(hào)無(wú)效的電平低于?3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來(lái)，介于?3～+3V之間的電壓無(wú)意義，低于?15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無(wú)意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在±（3～15）V之間。
RS-232C是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)的，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同，因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換，實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MCl488、SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MCl489和SN75154可實(shí)現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。
現(xiàn)在常用的RS-232C/TTL轉(zhuǎn)換芯片是MAX232。MAX232內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需+5V電源便可完成TTL與EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。
1.1.3 串口通信線(xiàn)路連接
1．近距離通信線(xiàn)路連接
當(dāng)兩臺(tái)RS-232串口設(shè)備通信距離較近時(shí)（<15m），可以用電纜線(xiàn)直接將兩臺(tái)設(shè)備的RS-232端口連接，若通信距離較遠(yuǎn)（>15m）時(shí)，需附加調(diào)制解調(diào)器（Modem）。
在RS-232的應(yīng)用中，很少?lài)?yán)格按照RS-232標(biāo)準(zhǔn)。其主要原因是，許多定義的信號(hào)在大多數(shù)的應(yīng)用中并沒(méi)有用上。在許多應(yīng)用中，例如Modem，只用了9個(gè)信號(hào)（兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)、6條控制線(xiàn)、一條地線(xiàn)）；在其他一些應(yīng)用中，可能只需要5個(gè)信號(hào)（兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)、兩條握手線(xiàn)、一條地線(xiàn)）；還有一些應(yīng)用，可能只需要數(shù)據(jù)線(xiàn)，而不需要握手線(xiàn)，即只需要3個(gè)信號(hào)線(xiàn)。因?yàn)樵诳刂祁I(lǐng)域，在近距離通信時(shí)常采用RS-232，所以這里只對(duì)近距離通信的線(xiàn)路連接進(jìn)行討論。
當(dāng)通信距離較近時(shí)，通信雙方不需要Modem，可以直接連接，這種情況下，只需使用少數(shù)幾根信號(hào)線(xiàn)。最簡(jiǎn)單的情況，在通信中根本不需要RS-232C的控制聯(lián)絡(luò)信號(hào)，只需3根線(xiàn)（發(fā)送線(xiàn)、接收線(xiàn)、信號(hào)地線(xiàn)）便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信。
圖5-8（a）所示是兩臺(tái)串口通信設(shè)備之間的最簡(jiǎn)單連接（即三線(xiàn)連接），圖中的2號(hào)接收腳與3號(hào)發(fā)送腳交叉連接是因?yàn)樵谥边B方式時(shí)，把通信雙方都當(dāng)作數(shù)據(jù)終端設(shè)備看待，雙方都可以發(fā)送也可接收。在這種方式下，通信雙方的任何一方，只要請(qǐng)求發(fā)送RTS有效和數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTR有效就能開(kāi)始發(fā)送和接收。
圖5-8 串口設(shè)備最簡(jiǎn)單的連接
如果只有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，而且也沒(méi)有兩個(gè)串行通信端口可以使用，則將第2腳與第3管腳短路，如圖5-8（b）所示，那么由第3腳的輸出信號(hào)就會(huì)被傳送到第2腳而送到同一串行端口的輸入緩沖區(qū)，程序只要再由相同的串行端口上作讀取的操作，即可將數(shù)據(jù)讀入，同樣可以形成一個(gè)測(cè)試環(huán)境。
2．遠(yuǎn)距離通信線(xiàn)路連接
一般PC采用RS-232通信接口，當(dāng)PC與串口設(shè)備通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，二者不能用電纜直接連接，可采用RS-485總線(xiàn)。
當(dāng)PC與多臺(tái)具有RS-232接口的設(shè)備遠(yuǎn)距離通信時(shí)，可使用RS-232/RS-485型通信接口轉(zhuǎn)換器，將計(jì)算機(jī)上的RS-232通信口轉(zhuǎn)為RS-485通信口，在信號(hào)進(jìn)入設(shè)備前再使用RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器將RS-485通信口轉(zhuǎn)為RS-232通信口，再與設(shè)備相連，如圖5-9所示。
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圖5-9 PC與多個(gè)RS-232串口設(shè)備遠(yuǎn)距離連接
當(dāng)PC與多臺(tái)具有RS-485接口的設(shè)備通信時(shí)，由于兩端設(shè)備接口電氣特性不一，不能直接相連，因此，也采用RS-232接口到RS-485接口轉(zhuǎn)換器將RS-232接口轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào)電平，再與串口設(shè)備相連。
如果PC直接提供RS-485接口，與多臺(tái)具有RS-485接口的設(shè)備通信時(shí)不用轉(zhuǎn)換器可直接相連。
RS-485接口只有兩根線(xiàn)要連接，有+、?端（或稱(chēng)A、B端）區(qū)分，用雙絞線(xiàn)將所有串口設(shè)備的接口并聯(lián)在一起即可。
1.1.4 計(jì)算機(jī)中的串行端口
在PC上，有各種各樣的接頭，其中有兩個(gè)9針的接頭區(qū)，如圖5-10所示，這就是串行通信端口。PC上的串行接口有多個(gè)名稱(chēng)：232口、串口、通信口、COM口和異步口等。
圖5-10 PC上的串行端口
1．串行端口的中斷
（1）中斷概述。
中斷即IRQ（Interrupt Request）。CPU一般情況下是連續(xù)進(jìn)行工作，一旦外圍設(shè)備（如打印機(jī)、串行端口等）需要CPU處理事件時(shí)，就會(huì)通過(guò)硬件線(xiàn)路（即中斷線(xiàn)路）來(lái)通知CPU。CPU收到通知后，就會(huì)停下正在做的工作，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行外圍設(shè)備的請(qǐng)求。
（2）查看計(jì)算機(jī)內(nèi)的中斷。
在Windows系統(tǒng)中，打開(kāi)設(shè)備管理器，在“查看”菜單項(xiàng)選擇“依照類(lèi)型排序資源”，打開(kāi)中斷請(qǐng)求（IRQ）項(xiàng)，可以看到計(jì)算機(jī)中各設(shè)備的中斷分配信息。如圖5-11所示。
2．串行端口的地址
（1）地址概述。
在計(jì)算機(jī)內(nèi)，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)地址。當(dāng)CPU需要傳送信息或者是從外圍設(shè)備讀取信息時(shí)，必須知道信息在什么地方，這個(gè)具體地方就是外圍設(shè)備的地址。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用十六進(jìn)制的方式記錄每個(gè)外圍設(shè)備的地址，每個(gè)設(shè)備的地址都是不一樣的，這樣才能保證信息的讀寫(xiě)不會(huì)出錯(cuò)。一個(gè)設(shè)備所要占用的地址號(hào)碼可能不止一個(gè)，如果需要占用多個(gè)地址，那么所占用的地址一般情況下是連續(xù)的。
（2）查看計(jì)算機(jī)內(nèi)的地址
在Windows系統(tǒng)中，打開(kāi)設(shè)備管理器，在“查看”菜單項(xiàng)選擇“依照類(lèi)型排序資源”，打開(kāi)輸入/輸出（IO）項(xiàng)，可以看到計(jì)算機(jī)中各設(shè)備的地址分配信息。如圖5-12所示。
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圖5-11 查看計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)備中斷信息 圖5-12 查看計(jì)算機(jī)內(nèi)的設(shè)備地址信息界面
每個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的具有交互能力的設(shè)備，一定擁有惟一的地址即在圖5-12的列表中所顯示的。而且這些地址的長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)。一個(gè)設(shè)備可能由于功能較多，無(wú)法簡(jiǎn)單地使用一個(gè)字節(jié)完整地表達(dá)，因此，可能會(huì)占用一段連續(xù)的地址。
3．查看串行端口信息
（1）查看設(shè)備信息。
進(jìn)入Windows系統(tǒng)中，單擊“我的電腦”圖標(biāo)在彈出的菜單中選擇屬性項(xiàng)，在出現(xiàn)的系統(tǒng)屬性窗口中選擇“硬件”項(xiàng)中的“設(shè)備管理器”，出現(xiàn)設(shè)備管理器列表，此列表中有端口COM和LPT設(shè)備信息，如圖5-13所示。
（2）查看端口屬性。
選擇通信端口COM1，單擊右鍵，選擇“屬性”，可以查看端口的低級(jí)設(shè)置（圖5-14）及其資源（圖5-15）。
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圖5-13 查看串口設(shè)備信息界面 圖5-14 查看端口設(shè)置界面
在“端口設(shè)置”選項(xiàng)卡中，可以看到默認(rèn)的波特率和其他設(shè)置，這些設(shè)置可以在端口設(shè)置中改變，也可以在應(yīng)用程序中很方便地編程修改。
在“資源”選項(xiàng)卡中，可以看到一般PC上COM1口使用4號(hào)中斷，輸入/輸出范圍（即地址）為03F8-03FF；按相同方法可以看到，COM2口使用3號(hào)中斷，輸入/輸出范圍為02F8-02FF。
COM1與COM2的地址是3F8～3FF和2F8～2FF，在這個(gè)范圍內(nèi)的每個(gè)地址都有不同的功能，這些功能分別通過(guò)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。寄存器是用來(lái)暫時(shí)存放信息的地方。這些信息以位的形式存儲(chǔ)，一般以一個(gè)字節(jié)作為一個(gè)單位。讀/寫(xiě)寄存器就是讀取這些位所代表的狀態(tài)，以便可以執(zhí)行與串行端口相關(guān)的功能。
總結(jié)
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