串口通信基础概念介绍

串口通信（Serial Port Communication）是一种串行数据传输技术，数据按逐位（bit） 顺序传输，相比并行通信（一次传输多位数据）更简单可靠。以下是核心概念详解：

一、核心原理

1. 串行 vs 并行

   • 串行：数据通过单条数据线逐位传输（如 USB、RS-232）。
   • 并行：数据通过多条数据线同时传输（如老式打印机接口）。
     串行通信成本低、抗干扰强，适合远距离（可达千米）但速度较慢。

2. 通信模式

   • 单工（Simplex）：数据单向传输（如广播）。
   • 半双工（Half-Duplex）：数据可双向传输，但不能同时收发（如对讲机）。
   • 全双工（Full-Duplex）：数据可同时双向传输（如电话），串口默认支持全双工。

二、关键参数（通信双方需一致）

1. 波特率（Baud Rate）

   • 定义：每秒传输的符号数（1 符号 = 1 比特）。
   • 常用值：9600、19200、115200 bps（比特/秒）。
     举例：波特率 9600 = 每秒传输 9600 位数据。

2. 数据位（Data Bits）

   • 定义：每个数据包的位数（通常 5~8 位）。
   • 常用值：8 位（涵盖标准 ASCII 字符）。

3. 停止位（Stop Bits）

   • 定义：标识数据包结束的位数（逻辑高电平）。
   • 常用值：1 位（偶见 1.5 或 2 位）。

4. 校验位（Parity Bit）

   • 作用：检测传输错误（奇偶校验）。
   • 类型：
     • 无校验（None）：不进行校验。
     • 奇校验（Odd）：数据位 + 校验位中 "1" 的总数为奇数。
     • 偶校验（Even）：数据位 + 校验位中 "1" 的总数为偶数。

5. 流控（Flow Control）

   • 作用：防止接收端数据溢出（缓冲区满时暂停发送）。
   • 类型：
     • 硬件流控：用 RTS（请求发送） 和 CTS（清除发送） 信号线。
     • 软件流控：通过特殊字符 XON（继续）和 XOFF（暂停）控制。

三、物理接口标准

1. RS-232

   • 特点：
     • 使用 DB9 或 DB25 接口（常用 9 针）。
     • 负逻辑电平：逻辑 1 = -3V ~ -15V，逻辑 0 = +3V ~ +15V。
     • 传输距离：一般 ≤ 15 米（可通过延长器扩展）。
   • 应用：工业设备、老式计算机、调试串口（Console）。

2. TTL 串口

   • 特点：
     • 直接输出 0V（逻辑 0）和 3.3V/5V（逻辑 1）。
     • 无电平转换，适用于单片机（如 Arduino、STM32）。
   • 注意：不能直接连接 RS-232 设备（需电平转换芯片如 MAX232）。

四、数据帧格式

一帧数据的典型结构：

[起始位] [数据位（5~8位）] [校验位（可选）] [停止位（1~2位）]

• 起始位：1 位逻辑低电平（0），标志数据开始。
• 示例：传输字符 'A'（ASCII 0x41 = 二进制 01000001），波特率 9600，格式 8N1（8 数据位 + 无校验 + 1 停止位）：
  0（起始） + 01000001（数据） + 无校验 + 1（停止） → 共 10 位。

五、典型应用场景

1. 工业控制（PLC、传感器通信）。
2. 嵌入式设备调试（单片机通过串口输出日志）。
3. 路由器/交换机配置（Console 口）。
4. 老式外设（鼠标、调制解调器）。

六、常见问题

1. 数据错乱：波特率/校验位不匹配 → 检查参数一致性。
2. 无法通信：
   • 电平不兼容（TTL 与 RS-232 直连）→ 使用 MAX232 芯片转换。
   • 接线错误 → 交叉连接 TX（发送）与 RX（接收）。
3. 数据丢失：未启用流控 → 接收缓冲区溢出时需启用硬件流控。

总结

串口通信的核心是逐位传输、参数匹配和电平规范。掌握波特率、数据格式及接口标准（如 RS-232/TTL）是正确实现通信的关键！