分别介绍了串口通信协议RS-232、RS-422和RS-485的基本概念和信息

本文介绍了串口通信协议RS-232、RS-422和RS-485的基本概念，包括波特率、数据位、停止位、奇偶校验位以及握手等信息。

1. 什么是串口？

串口通信的概念十分简单。 串口按位发送和接收字节。 尽管比按字节传输的并行通信慢，但是串口很简单并且能够实现远距离通信。 例如， IEEE 488规范定义并行通信时指出，设备间线总长度不得超过20米，且任意两个设备间的距离不得超过2米；而串口通信的长度可达1200米。
 

通常，串口用于传输ASCII数据。 通信使用3根线完成：(1) 地线，(2) 发送线，(3) 接收线。 由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据的同时在另一根线上接收数据。 这种方式称为全双工传输。 其他线用于握手，但不是必须的。 串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验位。 对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配：

波特率是衡量通信速度的参数。 它表示每秒钟传送的位数。 例如，300波特表示每秒钟发送300个位。 当我们提到串口中的时钟周期时，我们就是指波特率。 例如，如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。 这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。 通常电话线的波特率为14400、28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。 高波特率常常用于距离很近的仪器间的通信。

数据位是衡量通信中实际数据位的参数。 当计算机发送一个信息包，实际的数据可能不是8位的， 标准的值是5、7和8位。 如何设置取决于您想传送的信息。 例如，标准的ASCII码是0～127（7位）。 扩展的ASCII码是0～255（8位）。 如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。 每个包是指一个字节，包括开始/停止位、数据位和奇偶校验位。 由于实际数据位取决于所选的通信协议，术语“包”指任何通信的情况。

停止位用于表示单个包的最后一位。 典型的值为1、1.5和2位。 由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。 因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。 适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

奇偶校验位是用于串口通信的一种简单的检错方式。 有四种检错方式：偶、奇、高和低。 当然没有校验位也是可以的。 对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。 例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。 如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。 高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。 这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或传输和接收数据是否不同步。

2. 什么是RS-232？

RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。用途十分广泛，比如连接鼠标、打印机或者调制解调器，同时也可以接工业仪器仪表。 用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。 RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。 RS-232串口通信最远距离是50英尺。

数据 
TXD（引脚3） 串口数据输出 
RXD（引脚2） 串口数据输入 
握手 
RTS（引脚7） 发送请求 
CTS（引脚8） 清除发送 
DSR（引脚6） 数据发送就绪 
DCD （引脚1） 数据载波检测 
DTR（引脚4） 数据终端就绪 
地线 
GND（引脚5） 地线 
其他 
RI（引脚9） 铃声指示

表1：RS-232引脚功能

3. 什么是RS-422？

RS-422 (EIA RS-422-A Standard)是Apple Macintosh计算机的串口连接标准。 RS-422使用差分信号，RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号，对比RS-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。

4. 什么是RS-485？

RS-485（EIA-485标准）是RS-422的改进，因为它增加了设备的个数，从10个增加到32个，同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性，以保证足够的信号电压。 有了多个设备的能力，你可以使用单个RS-485串口建立设备网络。 由于出色抗噪和多点通讯能力，在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时，串行连接会选择RS-485。 RS-485是RS-422的扩展集，因此所有的RS-422设备可以被RS-485控制。RS-485可以用超过4000英尺的线进行串行通信。

数据 
TXD+（引脚8） 串口数据输出（差分） 
TXD-（引脚9） 串口数据输出（差分） 
RXD+（引脚4） 串口数据输入（差分） 
RXD-（引脚5） 串口数据输入（差分） 
握手 
RTS+（引脚3） 发送请求（差分） 
RTS-（引脚7） 发送请求（差分） 
CTS+（引脚2） 清除发送（差分） 
CTS-（引脚6） 清除发送（差分） 
DSR（引脚6） 数据发送就绪 
地线 
GND（引脚1） 地线

表2：RS-485和RS-422引脚功能

5. RS-232、RS-422和RS-485的区别是什么？

RS-232是最常见的串口，是大部分兼容Windows的桌面计算机的一个标准组件。 如今通过USB到RS-232转换器使用RS-232更为常见。 RS-232只允许每根线使用一个发送器和接收器。 RS-232也使用全双工双数方式。 NI某些RS-232板卡支持的波特率最高达1 Mb/s，但大部分设备限于115.2 kb/s及以下。

RS-422 (EIA RS-422-A Standard)是传统Apple计算机的串口连接标准。 该标准机制下的最高数据传输速度可达10 Mb/s。RS-422使用两根线发送每个信号，以增加最大波特率和线缆长度。 RS-422还指定用于多点通讯应用，一个发送器连接到最多10个接收器的总线并发送数据。

RS-485是RS-422的扩展集，对这些能力进行了扩展。 RS-485解决了RS-422处理多点通讯的限制，通过同一数据线通信时最多允许32个设备。 RS-485总线上的任意从设备都可以与任意其他32个从设备进行通信，无需经由主设备。 由于RS-422是RS-485的子集，因而所有RS-422设备可能受RS-485控制。

RS-485和RS-422都支持多点通讯能力，但RS-485可允许最多32个设备，而RS-422的限制为10个。对于这两种串行通讯协议，您都需要自己添加终端匹配电路。 所有NI RS-485板卡都兼容RS-422标准。

下表对工作模式、驱动器和接收器总数、最大线缆长度和最大数据速率进行了比较。

标准 RS-232 RS-422 RS-485 
工作模式 单端 差分 差分 
单根线上的驱动器/接收器数 1个驱动器
1个接收器 1个驱动器
10个接收器 32个驱动器*
32个接收器 
最大缆线长度 50 ft (2500 pF) 4000 ft 4000 ft 
最大数据速率（最大线缆长度时） 160 kb/s（最高可达1 Mb/s） 10 Mb/s 10 Mb/s

表3：RS-232、RS-422和RS-485规范

*同一时间只有一个驱动器活动

*同一时间只有一个驱动器活动

6. 什么是握手？

RS-232通行方式允许简单连接三线：TX、RX和地线。

但是对于数据传输，双方必须对数据定时使用相同的波特率。 尽管这种方法对于大多数应用已经足够，但是对于接收方过载的情况这种使用受到限制。 这时需要串口的握手功能。 在这一部分，我们讨论三种最常用的RS-232握手形式：软件握手、硬件握手和Xmodem。

软件握手：我们讨论的第一种握手是软件握手。 通常用在实际数据是控制字符的情况，类似于GPIB使用命令字符串的方式。 必须的线仍然是三根：TX、RX和地线，因为控制字符在传输线上和普通字符没有区别， 函数SetXModem允许用户使能或者禁止用户使用两个控制字符XON和OXFF。 这些字符在通信中由接收方发送，使发送方暂停。

例如：假设发送方以高波特率发送数据。 在传输中，接收方发现由于CPU忙于其他工作，输入缓冲区已经满了。 为了暂时停止传输，接收方发送XOFF，典型的值是十进制19，即十六进制13，直到输入缓冲区清空。 一旦接收方准备好接收，它发送XON，典型的值是十进制17，即十六进制11，继续通信。 输入缓冲区半满时，LabWindows发送XOFF。 此外，如果XOFF传输被打断，LabWindows会在缓冲区达到75％和90％时发送XOFF。 显然，发送方必须遵循此守则以保证传输继续。

此方式的最大缺点，也是最重要的概念：数值将不再使用十进制17和19。 由于这些数值为无字符数值，因此往往不会影响 ASCII 的传输作业；然而，若以二进制法传输数据，则极可能将这些数值作为数据进行传输，导致传输作业发生错误。
硬件握手：第二种是使用硬件线握手。 和TX和RX线一样，RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一个作为输出，另一个作为输入。 第一组线是RTS (Request to Send)和CTS (Clear to Send)。 当接收方准备好接收数据，它置高RTS线表示就绪， 如果发送方也就绪，它置高CTS，表示它即将发送数据。 另一组线是DTR (Data Terminal Ready)和DSR (Data Set Ready)。 这些线主要用于调制解调器通信。 使得串口和调制解调器通信他们的状态。 例如：当调制解调器已经准备好接收来自PC的数据，它置高DTR线，表示和电话线的连接已经建立。 读取DSR线置高，PC机开始发送数据。 一个简单的规则是DTR/DSR用于表示系统通信就绪，而RTS/CTS用于单个数据包的传输。

在LabWindows中，函数SetCTSMode使能或者禁止使用硬件握手。 如果CTS模式使能，LabWindows使用如下规则：

当PC发送数据：

RS-232库必须检测CTS线高后才能发送数据。

当PC接收数据：

如果端口打开，且输入队列有空接收数据，库函数置高RTS和DTR。
如果输入队列90％满，库函数置低RTS，但使DTR维持高电平。
如果输入队列近乎为空，库函数置高RTS，但使DTR维持高电平。
如果端口关闭，库函数置低RTS和DTR。

XModem握手：最后讨论的握手叫做XModem文件传输协议。 这个协议在调制解调器通信中非常通用。 尽管它通常使用在调制解调器通信中，XModem协议能够直接在其他遵循这个协议的设备通信中使用。 在LabWindows中，实际的XModem应用对用户隐藏了。 只要PC和其他设备使用XModem协议，在文件传输中就使用LabWindows的XModem函数。 函数是XModemConfig、XModemSend和XModemReceive。

XModem使用介于如下参数的协议：start_of_data、end_of_trans、neg_ack、ack、wait_delay、start_delay、max_tries、packet_size。 这些参数需要通信双方认定。 标准的XModem有一个标准的定义；然而，可以通过XModemConfig函数修改，以满足具体需要。 这些参数的使用方法由接收方发送的字符neg_ack确定。 这通知发送方其准备接收数据。 它开始尝试发送，有一个超时参数start_delay；当超时的尝试超过max_tries次数，或者收到接收方发送的start_of_data，发送方停止尝试。 如果达到max_tries次数，将通知用户无法与发送方通信。 如果从发送方收到start_of_data，接收方将读取后继信息数据包。 包中含有包的数目、包数目的补码作为错误校验、packet_size字节大小的实际数据包，和进一步错误检查的求和校验值。 在读取数据后，接收方会调用wait_delay，然后向发送方发送响应。 如果发送方没有收到响应，它会重新发送数据包，直到收到响应或者超过重发次数的最大值max_tries。 如果一直没有收到响应，发送方通知用户传输数据失败。

由于数据必须以pack_size个字节按包发送，当最后一个数据包发送时，如果数据不够放满一个数据包，后面会填充ASCII码NUL (0)字节。 这导致接收的数据比原数据多。 在XModem情况下一定不要使用XON/XOFF，因为XModem发送方发出包的数目很可能增加到XON/OFF控制字符的值，从而导致通信故障。