一文浅谈串口通信

0、串行通信

串行通信技术(Serial Communication)，是指通信双方按位bit进行，遵守时序的一种通信方式。串行通信中，将数据按位依次传输， 每位数据占据固定的时间长度，仅用一根接收线和一根发送线就可以完成系统间交换信息

尽管串行通讯的比按字节传输的并行通信慢，但是串口具有通信线路少，布线简便易行，施工方便，结构灵活，系统间协商协议，自由度及灵活度较高的特点。

同步通信：

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。

同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。

数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；

校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。

同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。

异步通信：

异步通信中，有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率，在发送端和接收端要保持一致。

数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。

发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。

接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑"0"（即字符帧起始位）时，确定发送端已开始发送数据，每当接收端收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符已经发送完毕。

虽然异步技术使用简单,但起始和停止位是额外开销,浪费了带宽。

一、不同接口之间的区别：

USB (Universal Serial Bus，通用串行总线)
是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

COM口（串口）
串行接口简称串口，也称串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。

(1) D型9针串口（DB9）：RS-232电平标准

（2）4针串口：TTL电平标准

二、串口通信

典型的串口通信使用3根线完成，分别是地线GND、发送TXD(transport)、接收RXD(receive)。

由于串口通信是异步的，所以端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。

串口通信（异步）最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶的校验。对于两个需要进行串口通信的端口，这些参数必须匹配，这也是能够实现串口通讯的前提。

串口通信(如RS232接口)的数据传输都是0和1，在单总线、I2C、UART中都是通过一根线的高低电平来判断逻辑1或者逻辑0，但这种信号线的GND再与其他设备形成共地模式的通信，这种共地模式传输容易产生干扰，并且抗干扰性能也比较弱。而差分通信、支持多机通信、抗干扰强的RS485则能够实现更适合长距离、高速传输。

对于通讯协议，最基本的是把它分为物理层和协议层。

物理层

物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性， 确保原始数据在物理媒体的传输。

串口通讯的物理层有很多标准及变种，例如RS-232标准主要规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准。

在上面的通讯方式中，两个通讯设备的"DB9接口"之间通过串口信号线建立起连接，串口信号线中使用"RS-232标准"传输数据信号。由于RS-232电平标准的信号不能被控制器直接识别，所以这些信号会经过一个"电平转换芯片"转换成控制器能识别的"TTL标准"的电平信号，才能实现通讯。

RS232与TTL的电平标准

不平衡传输、相对于信号地的单端通讯、全双工

RS485 差分信号

为了提高抗干扰特性和增大传输距离，RS485采用差分信号进行数据传输，是一种半双工通信方式；

在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。

相对于单信号线传输的方式，使用差分信号传输具有如下优点：

1）抗干扰能力强，当外界存在噪声干扰时，几乎会同时耦合到两条信号线上，而接收端只关心两个信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。

2）能有效抑制它对外部的电磁干扰，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。

3）时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。

由于差分信号线具有这些优点，所以在USB协议、485协议、以太网协议及CAN协议的物理层中，都使用了差分信号传输。

2. 协议层

串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中， 规定了通讯逻辑（数据包的内容），它由起始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式（帧格式）要约定一致才能正常收发数据；通常两个设备之间通信要约定好波特率、数据长度、检验位和停止位。

波特率：数据信号对载波的调制速率，串口异步通讯中由于没有时钟信号(如DB9接口中是没有时钟信号的)， 所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码。比如波特率为9600bps；代表的就是每秒中传输9600bit，也就是相当于每一秒中划分成了9600等份。【比特率 = 波特率 X 单个调制状态对应的二进制位数】

起始位：起始位必须是持续一个比特时间的逻辑0电平，标志传输一个字符的开始，接收方可用起始位使自己的接收时钟与发送方的数据同步。

数据位：数据位紧跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。数据位的位数可以由通信双方共同约定（通常为5、6、7或8位。传输数据时先传送字符的低位，后传送字符的高位。

校验位：在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差， 可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。

（1）奇校验(odd)：数据位加上校验位中的“逻辑高位1”的个数保持为奇数；
（2）偶校验(even)：数据位加上校验位中的“逻辑高位1”的个数保持为偶数（3）0校验(space)：校验位永远是0；

（4）1校验(mark)：校验位永远是1；

（5）无校验(noparity)：没有校验位。

停止位：由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

空闲位：空闲位是指从一个字符的停止位结束到下一个字符的起始位开始，表示线路处于空闲状态，必须由高电平来填充。

例如，对于16进制数据 55aaH，当采用8位数据位、1位停止位传输时，它在信号线上的波形如下图所示。
（先传第一个字节55，再传第二个字节aa，每个字节都是 从低位向高位 逐位传输）

 

3、数据传输方向

单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输；

半双工：允许数据在两个方向上传输，但某一时刻只允许数据在一个方向上传输，实际上是一种切换方向的单工通信，不需要独立的接收端和发送端，两者可合并为一个端口；

全双工：允许数据同时在两个方向上传输，因此全双工通信是两个单工方式的结合，需要独立的接收端和发送端。

4、设备间通信

原生的串口通信主要是控制器跟串口的设备或者传感器通信，不需要经过电平转换芯片来转换电平，直接就用TTL电平通信。例如GPS模块、GSM模块、串口转WIFI模块、HC04蓝牙模块等与控制器之间的通讯。

RS232转TTL，通过电平转换芯片将 标准 RS232 串口信号转换为 TTL电平的 RS232 串口信号，不需要安装驱动。

USB转串口（TTL）实现计算机USB接口到物理串口之间的转换。主要用于设备跟电脑通信，电平转换芯片一般有CH340、PL2303、CP2102、FT232 使用的时候电脑端需要安装电平转换芯片的驱动。

串口发送
串口应用发送数据->USB串口驱动获取数据->驱动将数据经过USB通道发送给USB串口设备->USB串口设备接收到数据通过串口发送

串口接收
USB串口设备接收串口数据->将串口数据经过USB打包后上传给USB主机->USB串口驱动获取到通过USB上传的串口数据->驱动将数据保存在串口缓冲区提供给串口应用读取

4、USART、UART简介

通用同步异步收发器(USART，Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一个串行通信设备， 可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

通用同步异步收发器(USART，Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一个串行通信设备， 可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

通用异步收发器(UART，Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)， 它是在USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。

数据通信方式包括同步和异步通信，发送方和接收方按照同一个时钟周期工作就叫同步，发送方和接收方没有提供时钟输出、不按照统一的时钟周期、而各自按照自己的时钟周期工作就叫异步。

异步通信时接收方不必一直在意发送方，发送方需要发送信息时会首先给接收方一个信息开始的起始信号，接收方接收到起始信号后就认为后面紧跟着的就是有效信息，才会开始注意接收信息，直到收到发送方发过来的结束标志。串口通信是属于异步的，这个时候的波特率及数据包规则（帧格式）就显得很重要了。

5、串口流控

在两个串口设备间传输数据时经常有必要进行数据流控。这可能是受到中间串口通信线路、其中一个设备或者其他存储介质的限制。异步数据流控通常使用的有两种方法。

第一种方法通常称为软件流控，使用特殊字符开始（XON or DC1）或者停止（XOFF or DC3）数据流。这些字符定义参见 ASCII 码表。这些码值在传输文本信息时很有用，但不能在未经特殊编程时用于传输其他类型的信息。

第二种方法称作硬件流控，使用RTS和CTS信号线取代特殊字符。当接收方准备好接收数据时会将RTS置为逻辑0以请求对方发送数据，当未准备好时置为逻辑1，因此发送方会通过检测 CTS 电平状态判断是否可以发送数据。

使用硬件流控至少需要连接的信号线有GND、RXD、TXD、RTS、CTS。

使用软件流控只需要GND、RXD、TXD。

审核编辑 黄昊宇