關于門禁系統的串口通信相關知識點

今天浩道跟大家分享近期維護的一個關于門禁系統的踩到的一些坑。同時也希望給大家今后接觸類似項目的小伙伴一個方向吧。同時也會跟大家說一說該項目中用到的串口通信相關知識點，一起看看！

浩道最近收到用戶反饋說，門禁刷卡，門不開，沒有上送門禁事件等。。。經過一番溝通，用戶現場門禁刷卡器與門禁控制器采用485接口通信，并且接入了幾個485刷卡器，最最重要的是，485的線長達數幾十米，每一個刷卡器都是經過一根數幾十米的信號線匯總并接到了門禁控制器的485接口。 經過對485口進行數據抓包分析，發現串口數據存在亂碼，最后查閱資料發現485串口通信采用這種星行組網，會存在數據干擾。數據干擾是導致門禁刷卡數據異常的根本原因，之前做方案沒有考慮到這些細節，導致踩到了一個大坑了?？赡芤彩菍Υ谕ㄐ艣]有更深的認識吧。在此借此機會，跟大家聊一聊串口通信相關知識，希望以后可以幫助到大家避坑！

一、串行通訊與并行通訊

在通信和計算機科學中，串行通信(Serial Communication)是一個通用概念，泛指所有的串行的通信協議，如RS232、RS422、RS485、USB、I2C、SPI等。 串行通訊是指僅用一根接收線和一根發送線就能將數據以位進行傳輸的一種通訊方式。盡管串行通訊的比按字節傳輸的并行通信慢，但是串口可以在僅僅使用兩根線的情況下就能實現數據的傳輸。

圖1 串行通信與并行通信

二、串口通訊模式

串口通訊模式包括單工、半雙工和全雙工，其中單工模式數據傳輸只支持數據在一個方向上傳輸。半雙工模式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。詳見下圖：

圖2 (a)單工、(b)半雙工、(c)全雙工

三、串口通訊協議

最初數據是模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口出現了RS232接口，這種接口可以實現點對點的通信方式，但這種方式不能實現聯網功能，這就促生了RS422和RS485。 我們知道串口通信的數據傳輸都是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。所以差分通信、支持多機通信、抗干擾強的RS422和RS485就被廣泛的使用了。 RS422和RS485通信最大特點就是傳輸速度最大可以達到10Mb/s以上，最大傳輸距離超過1000米。大家需要注意的是雖然485最大速度和最大傳輸距離都很大，但是傳輸的速度是會隨距離的增加而變慢的，所以兩者是不可以兼得的。

四、RS232詳細介紹

1.RS232的基本特性

RS-232是串行數據接口標準，是由電子工業協會（EIA: Electronic Industries Alliance）制訂并發布的工業標準，以保證不同廠家產品之間的兼容。特性如下：

圖3 RS232基本特性

2.RS232的物理特性

在RS232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。D型或D-subminiature（D形狀超小型）連接器的原始編號系統使用D作為前綴（將其名稱命名為系列），然后根據外殼尺寸選擇A，B，C，D或E，末尾數字表示引腳數量。詳見下圖：

圖4 RS232物理特性

3.RS232的通信協議

RS232一般使用DB9接口，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。DB9公頭、母頭以及引腳說明詳見下方圖和表。

圖5 DB9公頭與母頭

表1 DB9引腳說明

4.RS232的波特率

在信道中，攜帶數據信息的信號單元叫碼元，單位時間內通過信道傳輸的碼元數稱為碼元傳輸速率，簡稱波特率（Baud Rate），其單位是波特（Baud,symbol/s），波特率是傳輸通道頻寬的指標。RS232典型的“波特率”是
300/1200/2400/9600/19200/38400/115200 /230400等。 表2 不同BAUD Rate對應的RS232通信距離

5.RS232的數據結構

一個完整的串行數據，也就是一個數據幀（Data frame），或者一個字符幀，包括起始位、數據位、停止位、奇偶校驗位。數據位前后即幀頭和幀尾，包含一些必要的控制信息。其中，MSB（Most Significant Bit）是指低地址存放最高有效字節，LSB（Least Significant Bit）則是低地址存放最低有效字節。

圖6 RS232數據結構

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。傳輸數據時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。 奇偶校驗位：奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，奇偶檢驗位不是必須有的。如果是奇校驗，需要保證傳輸的數據總共有奇數個邏輯高位；如果是偶校驗，需要保證傳輸的數據總共有偶數個邏輯高位。 停止位：停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由軟件設定。它一定是邏輯1電平，標志著傳輸一個字符的結束。 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。

6.RS232與RS232(TTL)

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校準"的電平信號，才能實現通訊。 TTL全名是晶體管-晶體管邏輯集成電(Transistor-Transistor Logic)，這種串行通信，對應的物理電平，始終是在0V和Vcc之間，其中常見的Vcc是5V或3.3V。TTL 高電平1是>=2.4V，低電平0是<=0.5V（對于5V或3.3V電源電壓），這里是正邏輯。

圖7 2.54mm PIN排針

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"的電平信號，才能實現通訊。

圖8 RS232 電平信號轉換

轉換電路圖如下所示：

圖9 RS232 電平信號轉換電路圖

五、RS422簡介

RS-422 的總線標準規定了總線接口的電氣特性標準，發送端：正電平在+2V～+6V之間，表示邏輯狀態“1”；負電平在-2V～-6V之間，則表示邏輯狀態“0”；接收器：(V+) - (V-) ≥0.2V，表示信號“0”；(V+) - (V-) ≤0.2V，表示信號“1”)。 RS-422 采用全雙工通訊方式，有4根信號線，收與發是分開的，可以同時收和發。適用于兩個站之間通信，如星型網、環網等，不可用于總線網。

圖10 RS-422全雙工（點對點）接線方式

六、RS485簡介

RS-485的電氣特性與RS-422基本一樣。它采用半雙工通訊方式，有2根信號線，在半雙工模式下工作，常用于總線網。其具體接線方式如下圖所示：

圖11 RS485（點對多點）接線方式

七、網絡電臺串口

以我司機載網絡電臺為例，綜合接口為J30J-25。其中涉及RS232/RS422/RS485接口引腳說明如下： 表3 機載網絡電臺綜合接口 J30J-25ZKP

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編輯：黃飛

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