本文介紹了串口通訊的基本概念、數(shù)據(jù)格式、通訊方式、典型的串口通訊標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

1. 串口通訊

串口通訊(Serial Communication)，是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號(hào)線、地線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。

串口是一種接口標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)定接口插件電纜以及使用的協(xié)議。

串口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來劃分，包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

2. 串口通訊的數(shù)據(jù)格式

一個(gè)字符一個(gè)字符地傳輸，每個(gè)字符一位一位地傳輸，并且傳輸一個(gè)字符時(shí)，總是以“起始位”開始，以“停止位”結(jié)束，字符之間沒有固定的時(shí)間間隔要求。

每一個(gè)字符的前面都有一位起始位(低電平)，字符本身由7位數(shù)據(jù)位組成，接著字符后面是一位校驗(yàn)位(檢驗(yàn)位可以是奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)位)，最后是一位或一位半或二位停止位，停止位后面是不定長(zhǎng)的空閑位，停止位和空閑位都規(guī)定為高電平。實(shí)際傳輸時(shí)每一位的信號(hào)寬度與波特率有關(guān)，波特率越高，寬度越小，在進(jìn)行傳輸之前，雙方一定要使用同一個(gè)波特率設(shè)置。

3. 通訊方式

單工模式(Simplex Communication)的數(shù)據(jù)傳輸是單向的。通信雙方中，一方固定為發(fā)送端，一方則固定為接收端。信息只能沿一個(gè)方向傳輸，使用一根傳輸線。

半雙工模式(Half Duplex)通信使用同一根傳輸線，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)又可以接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸，但是，在任何時(shí)刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)。因此半雙工模式既可以使用一條數(shù)據(jù)線，也可以使用兩條數(shù)據(jù)線。半雙工通信中每端需有一個(gè)收發(fā)切換電子開關(guān)，通過切換來決定數(shù)據(jù)向哪個(gè)方向傳輸。因?yàn)橛星袚Q，所以會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲，信息傳輸效率低些。

全雙工模式(Full Duplex)通信允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸。因此，全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合，它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送能力。在全雙工模式中，每一端都有發(fā)送器和接收器，有兩條傳輸線，信息傳輸效率高。

顯然，在其它參數(shù)都一樣的情況下，全雙工比半雙工傳輸速度要快，效率要高。

4. 偶校驗(yàn)與奇校驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼中，其最高位(b7)用作奇偶校驗(yàn)位。所謂奇偶校驗(yàn)，是指在代碼傳送過程中用來檢驗(yàn)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤的一種方法，一般分奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)兩種。奇校驗(yàn)規(guī)定：正確的代碼一個(gè)字節(jié)中1的個(gè)數(shù)必須是奇數(shù)，若非奇數(shù)，則在最高位b7添1;偶校驗(yàn)規(guī)定：正確的代碼一個(gè)字節(jié)中1的個(gè)數(shù)必須是偶數(shù)，若非偶數(shù)，則在最高位b7添1。

5. 停止位

停止位是按長(zhǎng)度來算的。串行異步通信從計(jì)時(shí)開始，以單位時(shí)間為間隔(一個(gè)單位時(shí)間就是波特率的倒數(shù))，依次接受所規(guī)定的數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位，并拼裝成一個(gè)字符的并行字節(jié);此后應(yīng)接收到規(guī)定長(zhǎng)度的停止位“1”。所以說，停止位都是“1”，1.5是它的長(zhǎng)度，即停止位的高電平保持1.5個(gè)單位時(shí)間長(zhǎng)度。一般來講，停止位有1，1.5，2個(gè)單位時(shí)間三種長(zhǎng)度。

6. 波特率

波特率就是每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。

波特率的單位是每秒比特?cái)?shù)(bps)，常用的單位還有：每秒千比特?cái)?shù)Kbps，每秒兆比特?cái)?shù)Mbps。串口典型的傳輸波特率600bps，1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps。

PLC/PC與稱重儀表通訊時(shí)，最常用的波特率是9600bps，19200bps。PLC/PC或儀表與大屏幕通訊時(shí)，最常用的波特率是600bps。

7. 典型的串口通訊標(biāo)準(zhǔn)

EIA RS232(通常簡(jiǎn)稱“RS232”): 1962年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定。

EIA RS485(通常簡(jiǎn)稱“RS485”): 1983年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制定。

8. RS232串口

RS232是計(jì)算機(jī)與通信工業(yè)應(yīng)用中最廣泛一種串行接口。它以全雙工方式工作，需要地線、發(fā)送線和接收線三條線。RS232只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。

8.1 RS232串口缺點(diǎn)

● 接口信號(hào)電平值較高，接口電路芯片容易損壞。

● 傳輸速率低，最高波特率19200bps。

● 抗干擾能力較差。

● 傳輸距離有限，一般在15m以內(nèi)。

● 只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式。

8.2 RS232串口接口定義

RXD：接收數(shù)據(jù)，TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)，GND/SG：信號(hào)地。

8.3 電腦DB9針接口定義

電腦DB9針接口是常見的RS232串口，其引腳定義如下：

2號(hào)腳：RXD(接收數(shù)據(jù))

3號(hào)腳：TXD(發(fā)送數(shù)據(jù))

5號(hào)腳：SG或GND(信號(hào)地)

其它腳：我們不用

電腦RS232串口與儀表串口連接圖：

在9針串口接頭中，公頭和母頭的管腳定義順序是不一樣，這一點(diǎn)需要特別注意。那么，這些管腳都有什么作用呢?9針串口和25針串口常用管腳的功能說明如下圖所示：

9. RS485串口

9.1 RS485串口特點(diǎn)

● RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，具有良好的抗干擾能力,信號(hào)能傳輸上千米。

● RS485有兩線制和四線制兩種接線。采用四線制時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通訊(即只能有一個(gè)主設(shè)備，其余為從設(shè)備)。四線制現(xiàn)在很少采用，現(xiàn)在多采用兩線制接線方式。

● 兩線制RS485只能以半雙式方式工作，收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行。

● RS485在同一總線上最多可以接32個(gè)結(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)通訊，但一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。

● 因RS485接口具有良好的抗干擾能力，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)使其成為首選的串行接口。

9.2 RS485串口接口定義

A或Data+(D+)或+：信號(hào)正;

B或Data-(D-)或-：信號(hào)負(fù)。

9.3 計(jì)算機(jī)與RS485儀表通訊

計(jì)算機(jī)自帶的串口只有RS232，沒有RS485，如果計(jì)算機(jī)要與RS485串口的儀表進(jìn)行通訊，必須使用串口轉(zhuǎn)換器或裝上RS485串口轉(zhuǎn)換卡后才能進(jìn)行通訊。

9.4 RS485串口的終端電阻

● 一般情況下不需要增加終端電阻，只有在RS485通信距離超過100米的情況下，要在RS485通訊的開始端和結(jié)束端增加終端電阻，RS485典型終端電阻是120歐。

● 終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號(hào)反射在通信過程中，有兩種信號(hào)因?qū)е滦盘?hào)反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。

阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。由于信號(hào)在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。

引起信號(hào)反射的另一原因是數(shù)據(jù)收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現(xiàn)在通訊線路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)混亂。要減弱反射信號(hào)對(duì)通訊線路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于比較小的反射信號(hào)，為簡(jiǎn)單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。

10. 串口通訊硬件常見的注意事項(xiàng)

● 通訊電纜端子一定接牢，不可有任何松動(dòng)，否則，可能會(huì)燒壞儀表或上位機(jī)的通訊板。

● 不可帶電拔插通訊端子，否則，可能會(huì)燒壞儀表或上位機(jī)的通訊板，一定要關(guān)閉儀表電源后才能去拔插通訊端子或接通訊線。

● 不可帶電拔插通訊端子，否則，可能會(huì)燒壞儀表或上位機(jī)的通訊板，一定要關(guān)閉儀表電源后才能去拔插通訊端子或接通訊線。

● 通訊用的屏蔽電纜最好選用雙層隔離型屏蔽電纜，其次選用單層屏蔽電纜，最好不要選用無屏蔽層的電纜,且電纜屏蔽層一定要能完全屏蔽，有些質(zhì)量差的電纜，屏蔽層很松散，根本起不到屏蔽的作用。單層屏蔽的電纜屏蔽層應(yīng)一端接地，雙層屏蔽的電纜屏蔽層其外層(含鎧裝)應(yīng)兩端接地，內(nèi)層屏蔽則應(yīng)一端接地。

● 儀表使用RS232通訊時(shí)，通訊電纜長(zhǎng)度不得超過15米。

● 一般RS485協(xié)議的接頭沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)，可能根據(jù)廠家的不同引腳順序和管腳功能可能不盡相同，用戶可以查閱相關(guān)產(chǎn)品RS485的引腳圖。

● RS485通訊電纜最好選用阻阬匹配、低衰減的RS485專用通訊電纜(雙絞線)，不要使用普通的雙絞電纜或質(zhì)量較差的通訊電纜。因?yàn)槠胀娎|或質(zhì)量差的通訊電纜，可能阻抗不匹配、衰減大、絞合度不夠、屏蔽層太松散，這樣會(huì)導(dǎo)致干擾將非常大，會(huì)造成通訊不暢，甚至通訊不上。

● 儀表使用RS485通訊時(shí)，每臺(tái)儀表必須手牽手地串下去，不可以有星型連接或者分叉，如果有星型連接或者分叉，干擾將非常大，會(huì)造成通訊不暢，甚至通訊不上。

● 485總線結(jié)構(gòu)理論上傳輸距離達(dá)到1200米，一般是指通訊線材優(yōu)質(zhì)達(dá)標(biāo)，波特率9600，只有一臺(tái)485設(shè)備才能使得通訊距離達(dá)到1200米，而且能通訊并不代表每次通訊都正常，所以通常485總線實(shí)際的穩(wěn)定通訊距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到1200米。負(fù)載485設(shè)備多，線材阻抗不同時(shí)，通訊距離更短。

● 儀表使用RS485通訊時(shí)，必要時(shí)，請(qǐng)接入終端電阻，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，典型的終端電阻阻值是120歐。

11. 串口通訊軟件設(shè)置要點(diǎn)

11.1 有關(guān)通訊的一些基本概念

● 主機(jī)與從機(jī)：在通訊系統(tǒng)中起主要作用、發(fā)布主要命令的稱為主機(jī)，接受命令的稱為從機(jī)。

● 連續(xù)方式：指主機(jī)不需要發(fā)布命令，從機(jī)就能自動(dòng)地向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

● 指令方式：指主機(jī)向從機(jī)發(fā)布命令，從機(jī)根據(jù)指令執(zhí)行動(dòng)作，并將結(jié)果“應(yīng)答”給主機(jī)的模式。

● 輸出數(shù)據(jù)類型：指在連續(xù)方式通訊時(shí)，從機(jī)輸出給主機(jī)的數(shù)據(jù)類型。

● 通訊協(xié)議：指主機(jī)與從機(jī)通訊時(shí)，按哪一種編碼規(guī)則來通訊。

● 波特率：主從機(jī)之間通訊的速度。

● 數(shù)據(jù)位：每次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)由幾位組成。

● 校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤檢測(cè)，可以是奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)。

● 地址：每一臺(tái)從機(jī)的編號(hào)。

11.2 主從機(jī)之間通訊設(shè)置要點(diǎn)

● 要點(diǎn)一：主/從RS232/485硬件有無設(shè)置正確，通訊線有無接對(duì)。有些通訊板卡是RS422與RS485共用的，依靠板上跳線來實(shí)現(xiàn)的，有些儀表RS232/485也需要通訊跳線來實(shí)現(xiàn)。

● 要點(diǎn)二：主機(jī)上的通訊端口有無設(shè)置正確;超時(shí)(一般設(shè)置為2s)、通訊延時(shí)(一般設(shè)置為5～20ms)、ACK信號(hào)延時(shí)(一般設(shè)置為0ms)有無設(shè)置正確。

● 要點(diǎn)三：主/從機(jī)通訊協(xié)議有無選擇正確。

● 要點(diǎn)四：主/從機(jī)波特率有無選擇正確。●

要點(diǎn)五：主/從機(jī)數(shù)據(jù)位有無選擇正確。數(shù)據(jù)位可以選擇7位，8位。

● 要點(diǎn)六：主/從機(jī)校驗(yàn)位有無選擇正確。校驗(yàn)位一般可選擇偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、無校驗(yàn)。

● 要點(diǎn)七：主/從機(jī)停止位有無選擇正確。停止位可以選擇1位、1.5位還是2位。

● 要點(diǎn)八：從機(jī)地址有無選擇正確。

● 要點(diǎn)九：主/從機(jī)的通訊方式有無選擇正確。

進(jìn)行通訊測(cè)試的時(shí)候經(jīng)常會(huì)進(jìn)行線路測(cè)試，測(cè)試所用的串口線是否可用，方法如下：

1. 把串口線接到不同的串口，用串口調(diào)試工具從一個(gè)串口發(fā)數(shù)據(jù)，另一個(gè)能正常收到說明串口線是OK的。

2. 把串口線的一端短接(用金屬把2,3號(hào)腳連通)，用萬用表測(cè)另一端的2,3號(hào)如果正常的話會(huì)有嘀嘀的短接報(bào)警聲。

審核編輯：湯梓紅