串口通信学习笔记

串口似乎是一个比较模糊的概念，UART、COM口、RS-232、RS-485等名称有时都会被称作串口，但是从应用电路上看，三者又显然存在差异。个人理解，我们通常所说的串口是使用串行通信协议的一类接口，而RS-232则是串口通信的一种电平标准。下文将针对EIA发布的《Electronic Industries Association (EIA) RS-232-C Interface Standard》为基础，对相关问题进行讨论。

1.传输速率受什么限制

EIA的标准里明确给定了传输速率的上限为20 kbit/s，但是如图1所示的MAX3232的数据手册表明，其传输速率可达到250 kbit/s，可见，标准中规定的传输速率是可以打破的。那么传输速率的限定是基于什么考虑呢？

图1 MAX3232数据手册

怀疑点1：高频信号传输过程中发生衰减，不满足信号质量要求

标准中明确规定，RS-232的电平判决门限为±3V，且负载电容不得大于2500pf，负载电阻在3k~7kohm之间。GB 11014-89附录1中关于电压衰减的要求为6dBV，这里采用更为严苛的电压衰减3dB的标准进行计算。

图2 GB 11014-89附录1的相关设定

计算前假设输出电压为±15V，总线电容为2500pf，负载电阻取3kohm，根据GB/T 6107-2000中关于互连电缆直流电阻的约束，输出电阻和直流电缆的阻值设定为25ohm，得到等效电路如图3所示。

图3 串口通信等效电路

图4 GB/T 6107-2000相关约束

按传输速率为20kbit/s，则总线电容的阻抗值为：

则电压在终端的幅值为：

可见，电压衰减幅度远未达到3dB。

• 怀疑点2：为了满足上升时间的要求。

标准中有如下一段说明：

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.

这应该是网上所谓的码元畸变率不大于4%的出处，但我个人认为，这里的翻译应为通过过渡区间的时间不大于正常信号持续时间的4%比较合适。即对于20kbit/s的传输速率，通过±3V的持续时间不应大于2us。由于输出阻抗和负载阻抗不在一个量级，将图3的电路进一步简化，看成是一个简单的一阶RC电路，其电压变化应符合以下表达式：

当VT为±3V时，即VT分别0.4和0.6，计算可得：

可见，上升时间的余量也是很充足的。

怀疑点3：经验取值。

RS-232是一个比较“古老”的标准，它是由EIA在上世纪70年联合多家厂商一起制定的一项标准，一般而言，标准的制定是为了增强不同厂家之间的兼容性，因此可以推测，在该标准问世之前，各厂家应该已经用上了串口通信，那么各项指标在可以满足需求并留有裕量的情况下，完全可以“拍脑袋”决定（可能是基于当时应用的经验数据，无从查证）。另外，串扰可能是需要考虑的其中一个因素，因为RS-232并非差分信号，因此其抗干扰的能力较弱，而速率越快，往外辐射干扰的能力就越强，标准中电压斜率不能超过30V/us的规定就是基于防止串扰的考虑，但串扰大小同样不好定量评估，只能认为是经验取值。另外，2500pf总线电容的限制也并未找到出处，电容的大小最直接影响的便是信号的上升时间，但前述已说明上升时间的裕量十分充足，因此此处认为总线电容的限制也是经验取值之一。

2.传输距离受什么限制

很多地方都描述RS-232的通信距离最大为15m，还是看标准原文：

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。

可见，15m并不是硬性要求，当使用负载电容较小的电缆时，通信距离可以增加。具体需要考虑的因素可以参照GB 12166-90的附录A，如图5所示：

图5 GB 12166-90附录A

GB 12166-90说明了数字接口的最大工作距离是主要是近端串扰总和的函数，在限定了线缆类型（双绞同芯电话电缆，同时也给定了线间电容）、串扰水平（近端串扰小于1V）以及驱动能力（12V峰峰值）等因素，得到了一条速率或长度与上升时间之间的关系。由此出发考虑最大通信距离应该是比较全面的。

3.串口通信协议——以UART协议为例

一般而言，通信过程可大致分为：握手—发送—接收—校验—应答等步骤，UART是一个异步通信标准，在通信设备之间只传递数据信号，不传递时钟信号，在通信前，首先要对两台通信设备的相关参数进行设定，比如：传输速率、帧格式等。图6为异步通信协议的帧格式。

图6 异步通信协议帧格式

串口总线空闲时为高电平，当接收设备接收到低电平时，意味着通信开始。在起始位为七位数据，一般从低位开始传输，第九位为数据校验位，UART通信采用奇偶校验。最后一位为停止位，即把总线电平拉高。从UART通信的协议可以看到，握手的过程在通信前的设定，起始位后不用等对方应答便开始传输数据，在完成一帧数据传输后，也不必等待对方应答，看数据是否传输成功，总的来说是一种较为简单的通信协议。