数据结构基础知识+串口通信

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原创 2023-12-24 15:37:17 614 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

怎样用串口发送结构体-简单协议的封包和解包提供完整的解决思路和可运行的代码阅读详情

学习目标：

学习字、字节、位、字长
编码方式（ASCII码、扩展ASCII码、Unicode符号集、UTF-8、GBK/GB2312/GB18030）
串口通讯
提示：这里可以添加学习目标

主要内容：

1. 字、字节、位

1.1 位（bit）

	英文bit，英文”比特“，表示二进制位，是计算机内部存储的最小单元。一个二进制位只可以表示0和1两种状态（21）；两个二进制位可以表示00、01、10、11四种（22）状态。

2.2 字节（byte）

字节来自英文Byte，音译为“拜特”，习惯上用大写的“B”表示。
字节是计算机数据处理的基本单位。计算机中以字节为单位存储和处理信息，一个字节由八个二进制位构成（1byye = 8 bit)。八位二进制数的最小值00000000，最大的值为11111111；通常1个字节可以存入一个ASCII码(ASCII码详情)，2个字节可以存放一个汉字国标码。

2.3 字

计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传送的数据长度称为字（word）。一个字通常由一个或多个（一般是字节的整数位）字节构成。
在计算机的运算器、控制器中，通常都是以字为单位进行传送的。字出现在不问的地址其含义是不相同。例如，送往控制器去的字是指令，而送往运算器去的字就是一个数。

在计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数字符串叫做一个字或单元，每个字中二进制位数的长度，称为字长。一个字由若干个字节组成，不同的计算机系统的字长是不同的，常见的有8位、16位、32位、64位等，字长越长，计算机一次处理的信息位就越多，精度就越高，字长是计算机性能的一个重要指标。目前主流微机都是32位机。
注意字与字长的区别，字是单位，而字长是指标，指标需要用单位去衡量。正象生活中重量与公斤的关系，公斤是单位，重量是指标，重量需要用公斤加以衡量。

2.4 字长

计算机的每个字所包含的位数称为字长。根据计算机的不同，字长有固定的和可变的两种。固定字长，即字长度不论什么情况都是固定不变的；可变字长，则在一定范围内，其长度是可变的。
计算的字长是指它一次可处理的二进创数字的数目。计算机处理数据的速率，自然和它一次能加工的位数以及进行运算的快慢有关。如果一台计算机的字长是另一台计算机的两倍，即使两台计算机的速度相同，在相同的时间内，前者能做的工作是后者的两倍。
一般地，大型计算机的字长为32―64位，小型计算机为12―32位，而微型计算机为4一16位。字长是衡量计算机性能的一个重要因素。

2. 编码方式（ASCII码、扩展ASCII码、Unicode符号集、UTF-8、GBK/GB2312/GB18030）

2.1 ASCII码

这是美国在19世纪60年代的时候为了建立英文字符和二进制的关系时制定的编码规范，它能表示128个字符，其中包括英文字符、阿拉伯数字、西文字符以及32个控制字符。它用一个字节来表示具体的字符，但它只用后7位来表示字符（2^7=128），最前面的一位统一规定为0。

2.2 扩展的ASCII码

原本的ASCII码对于英文语言的国家是够用了，但是欧洲国家的一些语言会有拼音，这时7个字节就不够用了。因此一些欧洲国家就决定，利用字节中闲置的最高位编入新的符号。比如，法语中的é的编码为130（二进制10000010）。这样一来，这些欧洲国家使用的编码体系，可以表示最多256个符号。但这时问题也出现了：不同的国家有不同的字母，因此，哪怕它们都使用256个符号的编码方式，代表的字母却不一样。比如，130在法语编码中代表了é，在希伯来语编码中却代表了字母Gimel (ג)，在俄语编码中又会代表另一个符号。但是不管怎样，所有这些编码方式中，0—127表示的符号是一样的，不一样的只是128—255的这一段。这个问题就直接促使了Unicode编码的产生。

2.3 Unicode符号集

正如上一节所说，世界上存在着多种编码方式，同一个二进制数字可以被解释成不同的符号。因此，要想打开一个文本文件，就必须知道它的编码方式，否则用错误的编码方式解读，就会出现乱码。为什么电子邮件常常出现乱码？就是因为发信人和收信人使用的编码方式不一样。而Unicode就是这样一种编码：它包含了世界上所有的符号，并且每一个符号都是独一无二的。比如，U+0639表示阿拉伯字母Ain，U+0041表示英语的大写字母A，U+4E25表示汉字“严”。具体的符号对应表，可以查询unicode.org，或者专门的汉字对应表。很多人都说Unicode编码，但其实Unicode是一个符号集（世界上所有符号的符号集），而不是一种新的编码方式。

但是正因为Unicode包含了所有的字符，而有些国家的字符用一个字节便可以表示，而有些国家的字符要用多个字节才能表示出来。即产生了两个问题：第一，如果有两个字节的数据，那计算机怎么知道这两个字节是表示一个汉字呢？还是表示两个英文字母呢？第二，因为不同字符需要的存储长度不一样，那么如果Unicode规定用2个字节存储字符，那么英文字符存储时前面1个字节都是0，这就大大浪费了存储空间。

上面两个问题造成的结果是：1）出现了unicode的多种存储方式，也就是说有许多种不同的二进制格式，可以用来表示unicode。2）unicode在很长一段时间内无法推广，直到互联网的出现。

2.4 UTF-8

互联网的普及，强烈要求出现一种统一的编码方式。UTF-8就是在互联网上使用最广的一种unicode的实现方式。其他实现方式还包括UTF-16和UTF-32，不过在互联网上基本不用。重复一遍，这里的关系是，UTF-8是Unicode的实现方式之一。

UTF-8最大的一个特点，就是它是一种变长的编码方式。它可以使用1~4个字节表示一个符号，根据不同的符号而变化字节长度。

UTF-8的编码规则很简单，只有两条：

1）对于单字节的符号，字节的第一位设为0，后面7位为这个符号的unicode码。因此对于英语字母，UTF-8编码和ASCII码是相同的。

2）对于n字节的符号（n>1），第一个字节的前n位都设为1，第n+1位设为0，后面字节的前两位一律设为10。剩下的没有提及的二进制位，全部为这个符号的unicode码。

2.5 GBK/GB2312/GB18030

GBK和GB2312都是针对简体字的编码，只是GB2312只支持六千多个汉字的编码，而GBK支持1万多个汉字编码。而GB18030是用于繁体字的编码。汉字存储时都使用两个字节来储存。

详细请参考（字符编码）

3. 串口通讯（RS232）

3.1 RS232接口

DP9-接口示意图

3.2 针脚定义

| 编号| | 名称| 缩写|

1 Data Carrier Detect /数据载波监测 DCD
2 Received Data /接收数据 RxD
3 Transmitted Data/发送数据 TxD
4 Data Terminal Ready/数据终端就绪 DTR
5 Ground/接地 GND
6 Data Set Ready/数据集就绪 DSR
7 Request To Send/请求发送 RTS
8 Clear To Send/允许发送 CTS
9 Ring Indicator/振铃提示 RI

3.2 RS232电气信号

RS232接收-发送端的电信号是相对于公共地线（GND）的电压信号。当电压差值在+3V ~ +
15V之间表示逻辑“0”，当电压差值在-3V ~ -15V之间表示逻辑“1”，电压差值在-3V ~
+3V之间没有定义。3V是最小的可检测电压信号，实际使用时期望电压差的绝对值在5V ~ 15V之间，即：发送数据时，发送端驱动器输出正电压信号+5V ~ +15V，表示逻辑“0”；负电压信号-5V ~
-15V表示逻辑1。接收数据时，只要是检测到大于3V的电信号，即将其视为有效信号。数据传输涉及的第一个概念是波特率。我们知道串行通信的传输是一位接着一位的，其传输单位为：位（bit）。因此，波特率的定义就是在单位时间内传输的位的个数。国际公用的单位时间为秒（s），因此波特率的单位为：bit/s（b/s），也写作bps（bitper second）。
波特率有一定的选择范围（并非任意值），常见的波特率有：9600，38400，56000，115200等。还有很多其它的值，通信双方约定好相同的波特率即可。

RS232是一种点对点的通信，其数据帧由起始位、数据位、校验位、停止位四部分组成。

起始位：长度1，数据值等于逻辑0，表示开始发送数据；
数据位：长度8或7，表示实际发送的数据；
校验位：长度0（无校验）或1（奇校验或偶校验）；
停止位：长度1、1.5或者2，数据值等于逻辑1，表示数据帧发送结束；
假设某RS232通信设置数据位=7，奇校验，停止位=2，则帧和逻辑值如下图所示：

串口通讯中串口发送的内容智能是二进制即字节，所以我们在使用中需要将字符进行编码如”utf-8“。

import serial
try:
    #端口，GNU / Linux上的/ dev / ttyUSB0 等 或 Windows上的 COM3 等
        portx="COM1"
    #波特率，标准值之一：50,75,110,134,150,200,300,600,1200,1800,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200
        bps=9600
     #超时设置,None：永远等待操作，0为立即返回请求结果，其他值为等待超时时间(单位为秒）
        timex=5
     # 打开串口，并得到串口对象
        ser=serial.Serial(portx,bps,timeout=timex)
    # 写数据
    	data = "string" #字符类型
        result=ser.write('data'.encode("utf-8"))
        print("写总字节数:",result)
        ser.close()#关闭串口
except Exception as e:
    print("---异常---：",e)