详解单片机中的串口通讯串行同步通信与串行异步通信

• 数据格式

  
  
  

    在介绍异步通信的数据发送和接收过程之前，有必要先弄清楚异步通信的数据格式。

    异步通信规定传输的数据格式由起始位（start bit）、数据位（data bit）、奇偶校验位（parity bit）和停止位（stop bit）组成，异步通信数据格式如下图所示（该图中未画出奇偶校验位，因为奇偶检验位不是必须有的，如果有奇偶检验位，则奇偶检验位应该在数据位之后，停止位之前）。

（1）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。

（2）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，一般可以是5位、7位或8位，标准的ASCII码是0~127（7位），扩展的ASCII码是0~255（8位）。传输数据时先传送字符的低位，后传送字符的高位。

（3）奇偶校验位：奇偶校验位仅占一位，用于进行奇校验或偶校验，奇偶检验位不是必须有的。如果是奇校验，需要保证传输的数据总共有奇数个逻辑高位；如果是偶校验，需要保证传输的数据总共有偶数个逻辑高位。

    举例来说，假设传输的数据位为01001100，如果是奇校验，则奇校验位为0（要确保总共有奇数个1），如果是偶校验，则偶校验位为1（要确保总共有偶数个1）。

    由此可见，奇偶校验位仅是对数据进行简单的置逻辑高位或逻辑低位，不会对数据进行实质的判断，这样做的好处是接收设备能够知道一个位的状态，有可能判断是否有噪声干扰了通信以及传输的数据是否同步。

（4）停止位：停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由软件设定。它一定是逻辑1电平，标志着传输一个字符的结束。

（5）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。

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  数据发送过程

  
  
  

    清楚了异步通信的数据格式之后，就可以按照指定的数据格式发送数据了，发送数据的具体步骤如下：

（1）初始化后或者没有数据需要发送时，发送端输出逻辑1，可以有任意数量的空闲位。

（2）当需要发送数据时，发送端首先输出逻辑0，作为起始位。

（3）接着就可以开始输出数据位了，发送端首先输出数据的最低位D0，然后是D1，最后是数据的最高位。

（4）如果设有奇偶检验位，发送端输出检验位。

（5）最后，发送端输出停止位（逻辑1）。

（6）如果没有信息需要发送，发送端输出逻辑1（空闲位），如果有信息需要发送，则转入步骤（2）。

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  数据接收过程

  
  
  

    在异步通信中，接收端以接收时钟和波特率因子决定每一位的时间长度。下面以波特率因子等于16（接收时钟每16个时钟周期使接收移位寄存器移位一次）为例来说明。

（1）开始通信，信号线为空闲（逻辑1），当检测到由1到0的跳变时，开始对接收时钟计数。

（2）当计到8个时钟的时候，对输入信号进行检测，若仍然为低电平，则确认这是起始位，而不是干扰信号。

（3）接收端检测到起始位后，隔16个接收时钟对输入信号检测一次，把对应的值作为D0位数据。

（4）再隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为D1位数据，直到全部数据位都输入。

（5）检验奇偶检验位。

（6）接收到规定的数据位个数和校验位之后，通信接口电路希望收到停止位（逻辑1），若此时未收到逻辑1，说明出现了错误，在状态寄存器中置“帧错误”标志；若没有错误，对全部数据位进行奇偶校验，无校验错时，把数据位从移位寄存器中取出送至数据输入寄存器，若校验错，在状态寄存器中置“奇偶错”标志。

（7）本帧信息全部接收完，把线路上出现的高电平作为空闲位。

（8）当信号再次变为低时，开始进入下一帧的检测。

    以上就是异步通信中数据发送和接收的全过程了。

串口通信的几个概念

    为了更好的理解串口通信，我们还需要了解几个串口通信当中的基本概念。

（1）发送时钟：发送数据时，首先将要发送的数据送入移位寄存器，然后在发送时钟的控制下，将该并行数据逐位移位输出。

（2）接收时钟：在接收串行数据时，接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测，并将其移入接收器的移位寄存器中，最后组成并行数据输出。

（3）波特率因子：波特率因子是指发送或接收1个数据位所需要的时钟脉冲个数。

串口接头

    常用的串口接头有两种，一种是9针串口（简称DB-9），一种是25针串口（简称DB-25）。每种接头都有公头和母头之分，其中带针状的接头是公头，而带孔状的接头是母头。下图是DB-9外观图

    由上图可以看出，在9针串口接头中，公头和母头的管脚定义顺序是不一样的，这一点需要特别注意。那么，这个管脚都有什么作用呢？9针串口和25针串口常用管脚的功能说明如下图所示。

RS-232C标准

    常用的串行通信接口标准有RS-232C、RS-422、RS-423和RS-485。其中，RS-232C作为串行通信接口的电气标准定义了数据终端设备（DTE:data terminal equipment）和数据通信设备（DCE:data communicaTIon equipment）间按位串行传输的接口信息，合理安排了接口的电气信号和机械要求，在世界范围内得到了广泛的应用。

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  电气特性

  
  
  

    RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号功能都做了规定。

    在TXD和RXD数据线上：

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  逻辑1为-3~-15V的电压。

  
  
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  逻辑0为3~15V的电压。

  
  
  

    在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：

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  信号有效（ON状态）为3~15V的电压。

  
  
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  信号无效（OFF状态）为-3~-15V的电压。

  
  
  

    由此可见，RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与晶体管-晶体管逻辑集成电路（TTL）以高低电平表示逻辑状态的规定正好相反。

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  信号线分配

  
  
  

    RS-232C标准接口有25条线，其中，4条数据线、11条控制线、3条定时线以及7条备用和未定义线。

    那么，这些信号线在9针串口和25针串口的管脚上是如何分配的呢？9针串口和25针串口信号线分配如下图所示。

    下面对这些信号线做个简单的介绍。

（1）数据装置准备好（DSR），有效状态（ON）表示数据通信设备处于可以使用状态。

（2）数据终端准备好（DTR），有效状态（ON）表示数据终端设备处于可以使用状态。

    这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的一些控制信号决定。

（3）请求发送（RTS），用来表示数据终端设备（DTE）请求数据通信设备（DCE）发送数据。

（4）允许发送（CTS），用来表示数据通信设备（DCE）已经准备好了数据，可以向数据终端设备（DTE）发送数据，是对请求发送信号RTS的响应。请求发送（RTS）和允许发送（CTS）用于半双工的通信系统中，在全双工的系统中，不需要使用请求发送（RTS）和允许发送（CTS）信号，直接将其置为ON即可。

（5）数据载波检出（DCD），用于表示数据通信设备（DCE）已接通通信链路，告知数据终端设备（DTE）准备接收数据。

（6）振铃指示（RI），当数据通信设备收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON），通知终端，已被呼叫。

（7）发送数据（TXD），数据终端设备（DTE）通过该信号线将串行数据发送到数据通信设备（DCE）。

（8）接收信号（RXD），数据终端设备（DTE）通过该信号线接收从数据通信设备（DCE）发来的串行数据。

（9）地线（SG、PG），分别表示信号地和保护地信号线。