第18章

SCIUART——串口通信

在計算機設備與設備之間或集成電路之間常常需要進行數據傳輸，在本書后面的章節中我們會學習到各種各樣的通訊方式，所以在本章中我們先統一介紹這些通訊的基本概念。

18.1

串口通信協議簡介

串口通訊（SerialCommunication）是一種設備間非常常用的串行通訊方式，因為它簡單便捷，因此大部分電子設備都支持該通訊方式，電子工程師在調試設備時也經常使用該通訊方式輸出調試信息。

在計算機科學里，大部分復雜的問題都可以通過分層來簡化。如芯片被分為內核層和片上外設。對于通訊協議，我們也以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協議層。

物理層規定通訊系統中具有機械、電子功能部分的特性，確保原始數據在物理媒體的傳輸。協議層主要規定通訊邏輯，統一收發雙方的數據打包、解包標準。簡單來說物理層規定我們用嘴巴還是用肢體來交流，協議層則規定我們用中文還是英文來交流。

下面我們分別對串口通訊協議的物理層及協議層進行講解。

18.1.1

物理層

串口通訊的物理層有很多標準及變種，我們主要講解RS-232標準，RS-232標準主要規定了信號的用途、通訊接口以及信號的電平標準。

使用RS-232標準的串口設備間常見的通訊結構見圖19_1。

圖19-1 串口通訊結構圖

在上面的通訊方式中，兩個通訊設備的“DB9接口”之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用“RS-232標準”傳輸數據信號。由于RS-232電平標準的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經過一個“電平轉換芯片”轉換成控制器能識別的“TTL標準”的電平信號，才能實現通訊。

18.1.1.1

電平標準

根據通訊使用的電平標準不同，串口通訊可分為TTL標準及RS-232標準，見表19?1。

表19?1 TTL電平標準與RS232電平標準

我們知道常見的電子電路中常使用TTL的電平標準，理想狀態下，使用5V表示二進制邏輯1，使用0V表示邏輯0；而為了增加串口通訊的遠距離傳輸及抗干擾能力，RS-232使用-15V表示邏輯1，+15V表示邏輯0。使用RS232與TTL電平校準表示同一個信號時的對比見圖19_2。

圖19-2 RS-232與TTL電平標準下表示同一個信號

因為控制器一般使用TTL電平標準，所以常常會使用MA3232芯片對TTL及RS-232電平的信號進行互相轉換。

18.1.1.2

RS-232 信號線

在最初的應用中，RS-232串口標準常用于計算機、路由與調制調解器（MODEN，俗稱“貓”）之間的通訊，在這種通訊系統中，設備被分為數據終端設備DTE（計算機、路由）和數據通訊設備DCE（調制調解器）。我們以這種通訊模型講解它們的信號線連接方式及各個信號線的作用。

在舊式的臺式計算機中一般會有RS-232標準的COM口（也稱DB9接口），見圖19_3。

圖19?3 電腦主板上的COM口及串口線

其中接線口以針式引出信號線的稱為公頭，以孔式引出信號線的稱為母頭。在計算機中一般引出公頭接口，而在調制調解器設備中引出的一般為母頭，使用上圖中的串口線即可把它與計算機連接起來。通訊時，串口線中傳輸的信號就是使用前面講解的RS-232標準調制的。

在這種應用場合下，DB9接口中的公頭及母頭的各個引腳的標準信號線接法見圖19_4及表19_2。

圖19-4 DB9標準的公頭及母頭接法

表19-2DB9信號線說明

（公頭，為方便理解，可把DTE理解為計算機，DCE理解為調制調解器）

上表中的是計算機端的DB9公頭標準接法，由于兩個通訊設備之間的收發信號（RXD與TXD）應交叉相連，所以調制調解器端的DB9母頭的收發信號接法一般與公頭的相反，兩個設備之間連接時，只要使用“直通型”的串口線連接起來即可，見圖19_5。

圖19-5 計算機與調制調解器的信號線連接

串口線中的RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信號，使用邏輯1表示信號有效，邏輯0表示信號無效。例如，當計算機端控制DTR信號線表示為邏輯1時，它是為了告知遠端的調制調解器，本機已準備好接收數據，0則表示還沒準備就緒。

在目前的其它工業控制使用的串口通訊中，一般只使用RXD、TXD以及GND三條信號線，直接傳輸數據信號，而RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信號都被裁剪掉了。