串口通信學習筆記

串口似乎是一個比較模糊的概念，UART、COM口、RS-232、RS-485等名稱有時都會被稱作串口，但是從應用電路上看，三者又顯然存在差異。個人理解，我們通常所說的串口是使用串行通信協議的一類接口，而RS-232則是串口通信的一種電平標準。下文將針對EIA發布的《Electronic Industries Association (EIA) RS-232-C Interface Standard》為基礎，對相關問題進行討論。

1.傳輸速率受什么限制

EIA的標準里明確給定了傳輸速率的上限為20 kbit/s，但是如圖1所示的MAX3232的數據手冊表明，其傳輸速率可達到250 kbit/s，可見，標準中規定的傳輸速率是可以打破的。那么傳輸速率的限定是基于什么考慮呢？

圖1 MAX3232數據手冊

懷疑點1：高頻信號傳輸過程中發生衰減，不滿足信號質量要求

標準中明確規定，RS-232的電平判決門限為±3V，且負載電容不得大于2500pf，負載電阻在3k~7kohm之間。GB 11014-89附錄1中關于電壓衰減的要求為6dBV，這里采用更為嚴苛的電壓衰減3dB的標準進行計算。

圖2 GB 11014-89附錄1的相關設定

計算前假設輸出電壓為±15V，總線電容為2500pf，負載電阻取3kohm，根據GB/T 6107-2000中關于互連電纜直流電阻的約束，輸出電阻和直流電纜的阻值設定為25ohm，得到等效電路如圖3所示。

圖3 串口通信等效電路

圖4 GB/T 6107-2000相關約束

按傳輸速率為20kbit/s，則總線電容的阻抗值為：

則電壓在終端的幅值為：

可見，電壓衰減幅度遠未達到3dB。

• 懷疑點2：為了滿足上升時間的要求。

標準中有如下一段說明：

The time required for a data or timing signal to pass through the transition region must not exceed one millisecond or 4 percent of the normal duration of a signal element on that interchange circuit, whichever is the lesser.

這應該是網上所謂的碼元畸變率不大于4%的出處，但我個人認為，這里的翻譯應為通過過渡區間的時間不大于正常信號持續時間的4%比較合適。即對于20kbit/s的傳輸速率，通過±3V的持續時間不應大于2us。由于輸出阻抗和負載阻抗不在一個量級，將圖3的電路進一步簡化，看成是一個簡單的一階RC電路，其電壓變化應符合以下表達式：

當VT為±3V時，即VT分別0.4和0.6，計算可得：

可見，上升時間的余量也是很充足的。

懷疑點3：經驗取值。

RS-232是一個比較“古老”的標準，它是由EIA在上世紀70年聯合多家廠商一起制定的一項標準，一般而言，標準的制定是為了增強不同廠家之間的兼容性，因此可以推測，在該標準問世之前，各廠家應該已經用上了串口通信，那么各項指標在可以滿足需求并留有裕量的情況下，完全可以“拍腦袋”決定（可能是基于當時應用的經驗數據，無從查證）。另外，串擾可能是需要考慮的其中一個因素，因為RS-232并非差分信號，因此其抗干擾的能力較弱，而速率越快，往外輻射干擾的能力就越強，標準中電壓斜率不能超過30V/us的規定就是基于防止串擾的考慮，但串擾大小同樣不好定量評估，只能認為是經驗取值。另外，2500pf總線電容的限制也并未找到出處，電容的大小最直接影響的便是信號的上升時間，但前述已說明上升時間的裕量十分充足，因此此處認為總線電容的限制也是經驗取值之一。

2.傳輸距離受什么限制

很多地方都描述RS-232的通信距離最大為15m，還是看標準原文：

The use of short cables, each less than 50 feet or 15 meters, is recommended. Use of longer cables is permissible, however, provided that load capacity requirements are met。

可見，15m并不是硬性要求，當使用負載電容較小的電纜時，通信距離可以增加。具體需要考慮的因素可以參照GB 12166-90的附錄A，如圖5所示：

圖5 GB 12166-90附錄A

GB 12166-90說明了數字接口的最大工作距離是主要是近端串擾總和的函數，在限定了線纜類型（雙絞同芯電話電纜，同時也給定了線間電容）、串擾水平（近端串擾小于1V）以及驅動能力（12V峰峰值）等因素，得到了一條速率或長度與上升時間之間的關系。由此出發考慮最大通信距離應該是比較全面的。

3.串口通信協議——以UART協議為例

一般而言，通信過程可大致分為：握手—發送—接收—校驗—應答等步驟，UART是一個異步通信標準，在通信設備之間只傳遞數據信號，不傳遞時鐘信號，在通信前，首先要對兩臺通信設備的相關參數進行設定，比如：傳輸速率、幀格式等。圖6為異步通信協議的幀格式。

圖6 異步通信協議幀格式

串口總線空閑時為高電平，當接收設備接收到低電平時，意味著通信開始。在起始位為七位數據，一般從低位開始傳輸，第九位為數據校驗位，UART通信采用奇偶校驗。最后一位為停止位，即把總線電平拉高。從UART通信的協議可以看到，握手的過程在通信前的設定，起始位后不用等對方應答便開始傳輸數據，在完成一幀數據傳輸后，也不必等待對方應答，看數據是否傳輸成功，總的來說是一種較為簡單的通信協議。