一文淺談串口通信

0、串行通信

串行通信技術(Serial Communication)，是指通信雙方按位bit進行，遵守時序的一種通信方式。串行通信中，將數據按位依次傳輸， 每位數據占據固定的時間長度，僅用一根接收線和一根發送線就可以完成系統間交換信息

盡管串行通訊的比按字節傳輸的并行通信慢，但是串口具有通信線路少，布線簡便易行，施工方便，結構靈活，系統間協商協議，自由度及靈活度較高的特點。

同步通信：

同步通信是一種連續串行傳送數據的通信方式，一次通信傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個數據字符。它們均由同步字符、數據字符和校驗字符（CRC）組成。

同步字符位于幀開頭，用于確認數據字符的開始。

數據字符在同步字符之后，個數沒有限制，由所需傳輸的數據塊長度來決定；

校驗字符有1到2個，用于接收端對接收到的字符序列進行正確性的校驗。

同步通信的缺點是要求發送時鐘和接收時鐘保持嚴格的同步。

異步通信：

異步通信中，有兩個比較重要的指標：字符幀格式和波特率，在發送端和接收端要保持一致。

數據通常以字符或者字節為單位組成字符幀傳送。字符幀由發送端逐幀發送，通過傳輸線被接收設備逐幀接收。

發送端和接收端可以由各自的時鐘來控制數據的發送和接收，這兩個時鐘源彼此獨立，互不同步。

接收端檢測到傳輸線上發送過來的低電平邏輯"0"（即字符幀起始位）時，確定發送端已開始發送數據，每當接收端收到字符幀中的停止位時，就知道一幀字符已經發送完畢。

雖然異步技術使用簡單,但起始和停止位是額外開銷,浪費了帶寬。

一、不同接口之間的區別：

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)
是一個外部總線標準，用于規范電腦與外部設備的連接和通訊。

COM口（串口）
串行接口簡稱串口，也稱串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的擴展接口。

(1) D型9針串口（DB9）：RS-232電平標準

（2）4針串口：TTL電平標準

二、串口通信

典型的串口通信使用3根線完成，分別是地線GND、發送TXD(transport)、接收RXD(receive)。

由于串口通信是異步的，所以端口能夠在一根線上發送數據同時在另一根線上接收數據。

串口通信（異步）最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶的校驗。對于兩個需要進行串口通信的端口，這些參數必須匹配，這也是能夠實現串口通訊的前提。

串口通信(如RS232接口)的數據傳輸都是0和1，在單總線、I2C、UART中都是通過一根線的高低電平來判斷邏輯1或者邏輯0，但這種信號線的GND再與其他設備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。而差分通信、支持多機通信、抗干擾強的RS485則能夠實現更適合長距離、高速傳輸。

對于通訊協議，最基本的是把它分為物理層和協議層。

物理層

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。

串口通訊的物理層有很多標準及變種，例如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。

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。

RS232與TTL的電平標準

不平衡傳輸、相對于信號地的單端通訊、全雙工

RS485 差分信號

為了提高抗干擾特性和增大傳輸距離，RS485采用差分信號進行數據傳輸，是一種半雙工通信方式；

在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。

相對于單信號線傳輸的方式，使用差分信號傳輸具有如下優點：

1）抗干擾能力強，當外界存在噪聲干擾時，幾乎會同時耦合到兩條信號線上，而接收端只關心兩個信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

2）能有效抑制它對外部的電磁干擾，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

3）時序定位精確，由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。

由于差分信號線具有這些優點，所以在USB協議、485協議、以太網協議及CAN協議的物理層中，都使用了差分信號傳輸。

2. 協議層

串口通訊的數據包由發送設備通過自身的TXD接口傳輸到接收設備的RXD接口。在串口通訊的協議層中， 規定了通訊邏輯（數據包的內容），它由起始位、主體數據、校驗位以及停止位組成，通訊雙方的數據包格式（幀格式）要約定一致才能正常收發數據；通常兩個設備之間通信要約定好波特率、數據長度、檢驗位和停止位。

波特率：數據信號對載波的調制速率，串口異步通訊中由于沒有時鐘信號(如DB9接口中是沒有時鐘信號的)， 所以兩個通訊設備之間需要約定好波特率，即每個碼元的長度，以便對信號進行解碼。比如波特率為9600bps；代表的就是每秒中傳輸9600bit，也就是相當于每一秒中劃分成了9600等份?！颈忍芈?= 波特率 X 單個調制狀態對應的二進制位數】

起始位：起始位必須是持續一個比特時間的邏輯0電平，標志傳輸一個字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時鐘與發送方的數據同步。

數據位：數據位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數據位的位數可以由通信雙方共同約定（通常為5、6、7或8位。傳輸數據時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

校驗位：在有效數據之后，有一個可選的數據校驗位。由于數據通信相對更容易受到外部干擾導致傳輸數據出現偏差， 可以在傳輸過程加上校驗位來解決這個問題。

（1）奇校驗(odd)：數據位加上校驗位中的“邏輯高位1”的個數保持為奇數；
（2）偶校驗(even)：數據位加上校驗位中的“邏輯高位1”的個數保持為偶數（3）0校驗(space)：校驗位永遠是0；

（4）1校驗(mark)：校驗位永遠是1；

（5）無校驗(noparity)：沒有校驗位。

停止位：由0.5、1、1.5或2個邏輯1的數據位表示，只要雙方約定一致即可。

空閑位：空閑位是指從一個字符的停止位結束到下一個字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態，必須由高電平來填充。

例如，對于16進制數據55aaH，當采用8位數據位、1位停止位傳輸時，它在信號線上的波形如下圖所示。
（先傳第一個字節55，再傳第二個字節aa，每個字節都是從低位向高位逐位傳輸）

3、數據傳輸方向

單工：數據傳輸只支持數據在一個方向上傳輸；

半雙工：允許數據在兩個方向上傳輸，但某一時刻只允許數據在一個方向上傳輸，實際上是一種切換方向的單工通信，不需要獨立的接收端和發送端，兩者可合并為一個端口；

全雙工：允許數據同時在兩個方向上傳輸，因此全雙工通信是兩個單工方式的結合，需要獨立的接收端和發送端。

4、設備間通信

原生的串口通信主要是控制器跟串口的設備或者傳感器通信，不需要經過電平轉換芯片來轉換電平，直接就用TTL電平通信。例如GPS模塊、GSM模塊、串口轉WIFI模塊、HC04藍牙模塊等與控制器之間的通訊。

RS232轉TTL，通過電平轉換芯片將 標準 RS232 串口信號轉換為 TTL電平的 RS232 串口信號，不需要安裝驅動。

USB轉串口（TTL）實現計算機USB接口到物理串口之間的轉換。主要用于設備跟電腦通信，電平轉換芯片一般有CH340、PL2303、CP2102、FT232 使用的時候電腦端需要安裝電平轉換芯片的驅動。

串口發送
串口應用發送數據->USB串口驅動獲取數據->驅動將數據經過USB通道發送給USB串口設備->USB串口設備接收到數據通過串口發送

串口接收
USB串口設備接收串口數據->將串口數據經過USB打包后上傳給USB主機->USB串口驅動獲取到通過USB上傳的串口數據->驅動將數據保存在串口緩沖區提供給串口應用讀取

4、USART、UART簡介

通用同步異步收發器(USART，Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一個串行通信設備， 可以靈活地與外部設備進行全雙工數據交換。

通用同步異步收發器(USART，Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一個串行通信設備， 可以靈活地與外部設備進行全雙工數據交換。

通用異步收發器(UART，Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)， 它是在USART基礎上裁剪掉了同步通信功能，只有異步通信。

數據通信方式包括同步和異步通信，發送方和接收方按照同一個時鐘周期工作就叫同步，發送方和接收方沒有提供時鐘輸出、不按照統一的時鐘周期、而各自按照自己的時鐘周期工作就叫異步。

異步通信時接收方不必一直在意發送方，發送方需要發送信息時會首先給接收方一個信息開始的起始信號，接收方接收到起始信號后就認為后面緊跟著的就是有效信息，才會開始注意接收信息，直到收到發送方發過來的結束標志。串口通信是屬于異步的，這個時候的波特率及數據包規則（幀格式）就顯得很重要了。

5、串口流控

在兩個串口設備間傳輸數據時經常有必要進行數據流控。這可能是受到中間串口通信線路、其中一個設備或者其他存儲介質的限制。異步數據流控通常使用的有兩種方法。

第一種方法通常稱為軟件流控，使用特殊字符開始（XON or DC1）或者停止（XOFF or DC3）數據流。這些字符定義參見 ASCII 碼表。這些碼值在傳輸文本信息時很有用，但不能在未經特殊編程時用于傳輸其他類型的信息。

第二種方法稱作硬件流控，使用RTS和CTS信號線取代特殊字符。當接收方準備好接收數據時會將RTS置為邏輯0以請求對方發送數據，當未準備好時置為邏輯1，因此發送方會通過檢測 CTS 電平狀態判斷是否可以發送數據。

使用硬件流控至少需要連接的信號線有GND、RXD、TXD、RTS、CTS。

使用軟件流控只需要GND、RXD、TXD。

審核編輯黃昊宇