串口通信入门基础

串口通信

在了解串口通信之前，需要先了解两个基本概念。

串行通信

串行通信：计算机与I/O设备之间，同一时刻，只能传输一个bit位的信号。传输数据按顺序依次一bit位接一bit位进行传输，通常数据在一根数据线或一对差分线上传输。

比如，当传输1字节信息时，并行通讯有8根信号线实现同时传输，假如耗时为1T，而串行是在一根信号线上，把数据排成一行、一位一位传输，需要传8次，因此耗时为8T。

在串行通信中，数据以帧为单位传输的，帧有大帧和小帧之分，小帧包含一个字符，大帧包含多个字符。

并行通信

并行通信是和串行通信相对的数据传输的方式。

并行通信：计算机与I/O设备之间，通过多条传输线，可以同时传输多个bit位的信号。

两者区别

并行通讯的效率高，但是成本高、对信号线路要求高，一般应用于快速设备之间近距离传输，譬如CPU 与存储设备、存储器与存储器、主机与打印机等都采用并行通讯。

串行通讯效率较低，但是对信号线路要求低，抗干扰能力强，同时成本也相对较低，一般用于计算机与计算机、计算机与外设之间远距离通讯。

串口通信和串行通信的区别

串口通信和串行通信的区别在于：串行通信是一种概念，串口通信是一种具体的通信手段。

串行通信是一种概念，是指一比特一比特的收发数据，相对于并行通信可同时传输多个bit位而言。包括一般的的串口通信、I2C、SPI等等。

串口通信是外设和计算机间的一种通信手段，是相对于以太网通信等通信手段而言的。

二者一个是一种概念，一个是一种实际的通信方式。

基本概念

串口通信(Serial Communication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种串行通讯方式。

串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，没有规定接口插件电缆以及使用的协议。

串口按电气标准及协议来划分，包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

基本结构

• 发送端（Transmitter）：将并行数据转换为串行数据，逐位发送。
• 接收端（Receiver）：将串行数据转换为并行数据，恢复原始数据。
• 通信线路：通常包括发送线（TX）、接收线（RX）和地线（GND）。
• 通信协议：定义数据传输的格式、波特率、数据位、停止位、校验位等参数。

工作原理

串口通信一般采用异步通信方式（UART），其工作原理如下：

1. 数据帧结构

串口通信的数据以帧（Frame）为单位传输，每一帧通常包括：

起始位（Start Bit） + 数据位（Data Bits） + 校验位（Parity Bit，可选） + 停止位（Stop Bit）

• 起始位（Start Bit）：表示数据传输的开始，通常为逻辑低电平（0）。

• 数据位（Data Bits）：实际传输的数据，通常为5、6、7或8位，最常用的是8位。

• 校验位（Parity Bit）：用于数据校验，可选奇校验、偶校验或无校验。

• 停止位（Stop Bit）：表示数据传输结束，通常为逻辑高电平（1），长度为1位或2位。

  停止位是按长度来算的。串行异步通信从计时开始，以单位时间为间隔（一个单位时间就是波特率的倒数），依次接受所规定的数据位和奇偶校验位，并拼装成一个字符的并行字节；此后应接收到规定长度的停止位“1”。所以说，停止位都是“1”，1.5是它的长度，即停止位的高电平保持1.5个单位时间长度。一般来讲，停止位有1，1.5，2个单位时间三种长度

2. 波特率（Baud Rate）

波特率表示每秒传输的比特数（bit/s），单位是每秒比特数(bps)，通信双方必须使用相同的波特率才能正确通信。串口典型的传输波特率600bps，1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps。

PLC/PC与称重仪表通讯时，最常用的波特率是9600bps，19200bps。

PLC/PC或仪表与大屏幕通讯时，最常用的波特率是600bps。

3. 数据传输过程

• 当线路空闲时，线路处于逻辑高电平（1）。
• 发送端发送数据时，首先发送一个起始位（逻辑低电平），通知接收端数据传输开始。
• 接收端检测到起始位后，按照约定的波特率，以固定的时间间隔依次采样数据位。
• 数据位传输完成后，发送端发送校验位（如果有）和停止位。
• 接收端收到停止位后，完成一次数据帧的接收，线路恢复空闲状态。

通讯方式

发送方和接收方按照同一个时钟节拍工作就叫同步。发送方和接收方没有统一的时钟节拍、而各自按照自己的节拍工作就叫异步。

同步通信

同步通信，是指通讯双方在一个时钟信号下进行数据信号同步。同步通信对于接收方相较简单，因为有时钟信号的存在，每一个高低电平变化，就可以去取数据。通信速率是由发送方或者主站设备进行控制。通信速率也比异步通信好快很多，且同步通信可以一主多从。

比特快以稳定的比特流的形式传输，数据被封装成更大的传输单位，称为帧。每个帧中含有多个字符代码，而且字符代码与字符代码之间没有间隙以及起始位和停止位。

同步传输采用大帧传输数据，同步通信的多种格式中，常用的HDLC帧格式，其每一帧有1个字节的起始标志位、2个字节的收发方地址位，2个字节的通信状态位、多个字符的数据位和2个字节的循环冗余校验位

异步通信

异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。但是接收端务必时刻做好接收的准备（如果接收端主机的电源都没有加上，那么发送端发送字符就没有意义，因为接收端根本无法接收）。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）。

在串行通信中，数据以帧为单位传输，且帧分大小，而异步通信是采用小帧传输，一帧中有10_{12个二进制数据位，每一帧有1个起始位，7}8个数据位，1个奇偶校验位(可以没有)和停止位(1位或2位)组成，被传输的一组数据相邻两个字符停顿时间不一致。

同步通信和异步通信区别如下

通讯模式

单工、半双工和全双工

• 单工:单方向收发数据，譬如，只能A发送数据，B接收数据。信息只能沿一个方向传输，使用一根传输线。任何时间段，只允许一个方向数据传输。
• 半双工:双方分时收发数据，譬如，“A发送数据，B接收数据”或者“A接收数据，B发送数据”，两个方向不能同时进行。通信使用同一根传输线。同一时间段，只允许一个方向数据传输。
• 全双工:双方同时收发数据，譬如，“A发送数据，B接收数据”同时“A接收数据，B发送数据”，两个方向同时进行。在全双工模式中，每一端都有发送器和接收器，有两条传输线，信息传输效率高。同一时间段，允许两个方向数据同时传输。

RS232、RS422、RS485各自特点

串口协议	RS232	RS422	RS485
工作方式	单端(非平衡)	差分(平衡)	差分(平衡)
双工模式	全双工	全双工	半双工
传输距离	15米	1200米	1200米
传输速率	20Kb/s	10Mb/s	10Mb/s
物理接口	不固定接口，一般是DB9九针插头(2,3,5), 2：RX 3：TX 5：GND	不固定接口，四针插口	不固定接口，两针插口
连接方式	点对点	点对多点(可串可并)	点对多点(可串可并)
焊接引脚	主(2,3,5)——>从(3,2,5)	主(T+,T-,R+,R-)——>从(R+,R-T+,T-)	主(+，-)——>从(+，-)
电气特征	逻辑0：+3~15V 逻辑1:-3~-15V	逻辑0:两线间电压差-2~-6V 逻辑1:两线间电压差+2~+6V	逻辑0:两线间电压差-2~-6V 逻辑1:两线间电压差+2~+6V
j节点数	1收、1发	1发、10收	1发、32收

RS232

它以全双工方式工作，需要地线、发送线和接收线三条线。RS232只能实现点对点的通信方式

RXD：接收数据，TXD：发送数据，GND/SG：信号地。

电脑DB9针接口是常见的RS232串口，其引脚定义如下：

2号脚：RXD(接收数据)

3号脚：TXD(发送数据)

5号脚：SG或GND(信号地)

其它脚：我们不用

电脑RS232串口与仪表串口连接图：

在9针串口接头中，公头和母头的管脚定义顺序是不一样。DB9和DB25的区别

RS422

RS422是全双工，4线 TXD+ , TXD- , RXD+ , RXD-；

RS422全双工(点对点)接线方式

RS485

● RS485采用平衡发送和差分接收，具有良好的抗干扰能力,信号能传输上千米。

● RS485有两线制和四线制两种接线。采用四线制时，只能实现点对多的通讯(即只能有一个主设备，其余为从设备)。四线制现在很少采用，现在多采用两线制接线方式。

● 两线制RS485只能以半双式方式工作，收发不能同时进行。

● RS485在同一总线上最多可以接32个结点，可实现真正的多点通讯，但一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。

● 因RS485接口具有良好的抗干扰能力，长的传输距离和多站能力等优点使其成为首选的串行接口。

A或Data+(D+)或+：信号正；

B或Data-(D-)或-：信号负。

A︰接其他RS485模块的A
B：接其他RS485模块的B

接线原则：（A接A，B接B）

RS485半双工（点对多点）接线方式

接线方式

计算机自带的串口只有RS232，没有RS485，如果计算机要与RS485串口的仪表进行通讯，必须使用串口转换器或装上RS485串口转换卡后才能进行通讯。

串口通讯硬件常见的注意事项

● 通讯电缆端子一定接牢，不可有任何松动，否则，可能会烧坏仪表或上位机的通讯板。

● 不可带电拔插通讯端子，否则，可能会烧坏仪表或上位机的通讯板，一定要关闭仪表电源后才能去拔插通讯端子或接通讯线。

● 不可带电拔插通讯端子，否则，可能会烧坏仪表或上位机的通讯板，一定要关闭仪表电源后才能去拔插通讯端子或接通讯线。

● 通讯用的屏蔽电缆最好选用双层隔离型屏蔽电缆，其次选用单层屏蔽电缆，最好不要选用无屏蔽层的电缆,且电缆屏蔽层一定要能完全屏蔽，有些质量差的电缆，屏蔽层很松散，根本起不到屏蔽的作用。单层屏蔽的电缆屏蔽层应一端接地，双层屏蔽的电缆屏蔽层其外层（含铠装）应两端接地，内层屏蔽则应一端接地。

● 仪表使用RS232通讯时，通讯电缆长度不得超过15米。

● 一般RS485协议的接头没有固定的标准，可能根据厂家的不同引脚顺序和管脚功能可能不尽相同，用户可以查阅相关产品RS485的引脚图。

● RS485通讯电缆最好选用阻阬匹配、低衰减的RS485专用通讯电缆（双绞线），不要使用普通的双绞电缆或质量较差的通讯电缆。因为普通电缆或质量差的通讯电缆，可能阻抗不匹配、衰减大、绞合度不够、屏蔽层太松散，这样会导致干扰将非常大，会造成通讯不畅，甚至通讯不上。

● 仪表使用RS485通讯时，每台仪表必须手牵手地串下去，不可以有星型连接或者分叉，如果有星型连接或者分叉，干扰将非常大，会造成通讯不畅，甚至通讯不上。

● 485总线结构理论上传输距离达到1200米，一般是指通讯线材优质达标，波特率9600，只有一台485设备才能使得通讯距离达到1200米，而且能通讯并不代表每次通讯都正常，所以通常485总线实际的稳定通讯距离远远达不到1200米。负载485设备多，线材阻抗不同时，通讯距离更短。

● 仪表使用RS485通讯时，必要时，请接入终端电阻，以增强系统的抗干扰性，典型的终端电阻阻值是120欧。