串口

2016-11-14    本站原创


1.   简介

串行接口简称串口,也称串行通信接口(通常指COM接口),是采用串行通信方式的扩展接口。

串口通信的两种最基本的方式:同步串行通信方式和异步串行通信方式。

同步串行是指SPISerial Peripheral interface)的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口SPI总线系统是一种同步串行外设接口,它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息,TRM450SPI接口。

异步串行是指UARTUniversal Asynchronous Receiver/Transmitter),通用异步接收/发送。UART是一个并行输入成为串行输出的芯片,通常集成在主板上。UART包含TTL电平的串口RS232电平的串口。 TTL电平是3.3V的,而RS232是负逻辑电平,它定义+5~+12V为低电平,而-12~-5V为高电平,MDS2710MDS SD4EL805等是RS232接口EL806TTL接口

串行接口按电气标准及协议来分包括RS-232-CRS-422RS485等。RS-232-CRS-422RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,不涉及接插件、电缆或协议。

2.   UART

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART,是一种异步收发传输器,是电脑硬件的一部分。将资料由串行通信并行通信间作传输转换,作为并行输入成为串行输出的芯片,通常集成于其他通讯接口的连结上。

具体实物表现为独立的模块化芯片,或作为集成于微处理器中的周边设备。一般是RS-232C规格的,类似MaximMAX232之类的标准信号幅度变换芯片进行搭配,作为连接外部设备的接口。在UART上追加同步方式的序列信号变换电路的产品,被称为USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)

 

  UART是一种通用串行数据总线,用于异步通信。该总线双向通信,可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中,UART用来主机与辅助设备通信,如汽车音响与外接AP之间的通信,与PC机通信包括与监控调试器和其它器件,如EEPROM通信。

 

 

2.1通信协议

UART作为异步串口通信协议的一种,工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。

其中各位的意义如下:

起始位:先发出一个逻辑”0”的信号,表示传输字符的开始。

资料位:紧接着起始位之后。资料位的个数可以是45678等,构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送,靠时钟定位。

奇偶校验位:资料位加上这一位后,使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验),以此来校验资料传送的正确性。

停止位:它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 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。[2] 

空闲位:处于逻辑“1”状态,表示当前线路上没有资料传送。

波特率:是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数(symbol)。一个符号代表的信息量(比特数)与符号的阶数有关。例如资料传送速率为120字符/秒,传输使用256阶符号,每个符号代表8bit,则波特率就是120baud,比特率是120*8=960bit/s。这两者的概念很容易搞错。

 

 

2.2基本结构

 

输出缓冲寄存器,它接收CPU数据总线上送来的并行数据,并加以保存。

⑵ 输出移位寄存器,它接收从输出缓冲器送来的并行数据,以发送时钟的速率把数据逐位移出,即将并行数据转换为串行数据输出

⑶ 输入移位寄存器,它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入,当数据装满后,并行送往输入缓冲寄存器,即将串行数据转换成并行数据。

⑷ 输入缓冲寄存器,它从输入移位寄存器中接收并行数据,然后由CPU取走。

控制寄存器,它接收CPU送来的控制字,由控制字的内容,决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式,数据字符的位数,有无奇偶校验,是奇校验还是偶校验,停止位的位数等参数。

状态寄存器。状态寄存器中存放着接口的各种状态信息,例如输出缓冲区是否空,输入字符是否准备好等。在通信过程中,当符合某种状态时,接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”,以便让CPU查询。

 

 

2.3工作原理

2.3.1发送接收

发送逻辑对从发送FIFO 读取的数据执行转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流,并且根据控制寄存器中已编程的配置,后面紧跟着数据位(注意:最低位 LSB 先输出)、奇偶校验位和停止位。

在检测到一个有效的起始脉冲后,接收逻辑对接收到的位流执行转换。此外还会对溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和线中止(line-break)错误进行检测,并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。

2.3.2波特率产生

波特率除数(baud-rate divisor)是一个22 位数,它由16 位整数和6 位小数组成。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期。通过带有小数波特率的除法器,在足够高的系统时钟速率下,UART 可以产生所有标准的波特率,而误差很小。

2.3.3数据收发

发送时,数据被写入发送FIFO。如果UART 被使能,则会按照预先设置好的参数(波特率、数据位、停止位、校验位等)开始发送数据,一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发FIFO 写数据(如果FIFO 未空),UART 的忙标志位BUSY 就有效,并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空,且已从移位寄存器发送最后一个字符,包括停止位时才变无效。即 UART 不再使能,它也可以指示忙状态。BUSY 位的相关库函数是UARTBusy( )

UART 接收器空闲时,如果数据输入变成低电平,即接收到了起始位,则接收计数器开始运行,并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx Baud16 的第8 周期仍然为低电平,则起始位有效,否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。

如果起始位有效,则根据数据字符被编程的长度,在 Baud16 的每第 16 个周期对连续的数据位(即一个位周期之后)进行采样。如果奇偶校验模式使能,则还会检测奇偶校验位

最后,如果Rx 为高电平,则有效的停止位被确认,否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时,将数据存放在接收FIFO 中。

2.3.4串口通信的传输格式

串行通信中,线路空闲时,线路的TTL电平总是高,经反向RS232的电平总是低。一个数据的开始RS232线路为高电平,结束时Rs232为低电平。数据总是从低位向高位一位一位的传输。示波器读数时,左边是数据的高位。

例如,对于16进制数据55aaH,当采用8位数据位、1位停止位传输时,它在信号线上的波形如图1(TTL电平)和图2(RS-232电平)所示。
55H=01010101B
,取反后10101010B,加入一个起始位1,一个停止位055H的数据格式为

0101010101,55H
aaH=10101010B,取反后01010101B,加入一个起始位1,一个停止位055H的数据格式为0010101011,aaH

 

3.   RS-422

标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”,它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线,共5根线。其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器RS232更强的驱动能力,故允许在相同传输线上连接多个接收节点,最多可接10个节点。即一个主设备(Master),其余为从设备(Slave),从设备之间不能通信,所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k,故发端最大负载能力是10×4k+100Ω(终接电阻)。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道,因此不必控制数据方向,各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)实现。

 

4.   RS-429

     ARINC 是美国航空无线电公司英文字头的缩写, 该公司1977721日出版了“ARINC 429规范一书,429规范就是飞机电子系统之间数字式数据传输的标准格式,在飞机上使用429总线的电子设备均应遵守这个规范,这样才能保证电子设备之间数据通讯的标准化,通用化。在429规范里规定了从所选定输出接口发送信息的方法。各组件之间的连接线使用由二根线绞结在一起再加上屏蔽保护的专用线,这种传输线称为429数据总线429总线只能单向传输数据。

    ANINC 429的发送速度有高速(100Kbps)和低速(12.5Kbps)两种。对于低速发送,采用一般的嵌入式处理器(如8051系列单片机)即可满足;对于高速发送,采用性能更好的80C196单片机可以满足,但其外围电路繁冗,会影响板卡的性能。

 

5.   RS-485

是从RS-422基础上发展而来的,所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式,二线制可实现真正的多点双向通信,而采用四线连接时,与RS-422一样只能实现点对多的通信,即只能有一个主(Master)设备,其余为从设备,但它比RS-422有改进,无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。

RS-485RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的,RS-485-7V+12V之间,而RS-422-7V+7V之间,RS-485接收器最小输入阻抗为12kΩ、RS-4224kΩ;由于RS-485满足所有RS-422的规范,所以RS-485驱动器可以用在RS-422网络中应用。

RS-485RS-422一样,其最大传输距离约为1219米,最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s

6.   家电领域应用

串口通讯在家电的人机交互系统中运用,人机交互系统通过串口同家电的主控板进行物理有线连接,通过通讯协议HMI对家电的主控进行控制。家电一般使用UART(5V TTL电平)

例如:冰箱通过串口可以对冰箱各个门进行温度的设置,显控可以通过串口的到主控的信息,关开门信息,冰箱故障信息等。

 

 


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